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2025-10-11
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【摘要】 本研究发表于Advanced Composites and Hybrid Materials（IF=21.8），通过【科学指南针·唯理计算·2025】的DFT计算，深入分析了Fe₃O₄-MoS₂异质界面的电荷密度差和态密度，揭示了界面极化与电子转移机制。空心核壳结构设计实现了-69.01 dB反射损耗和8.40 GHz有效吸收带宽，为电磁波吸收材料提供创新解决方案。科学指南针计算平台助力顶刊发表，提供可靠模拟支持。
研究背景与意义
电磁波吸收材料在治理电磁污染和军事隐身技术中具有关键作用。随着电子设备普及，电磁干扰问题日益严重，开发薄层、宽频高性能吸波材料成为研究热点。铁磁/介电复合材料通过组分与结构协同设计，可显著提升阻抗匹配与衰减性能。本研究针对空心核壳结构Fe₃O₄@MoS₂微球开展系统性研究，旨在阐明其电磁损耗机制。
核心创新点
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结构创新：通过Ostwald熟化机制构建空心Fe₃O₄微球，实现空腔尺寸可控调节
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界面工程：采用1T/2H混合相MoS₂纳米片包覆，形成异质界面增强极化效应
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性能突破：在3.0mm厚度下实现8.40GHz超宽有效吸收带宽，最小反射损耗达-69.01dB
材料制备与表征
Fe₃O₄空心微球合成
以甘油为溶剂，FeCl₃·6H₂O为铁源，通过溶剂热法成功制备空心结构微球。时间序列TEM显示结构演化符合Ostwald熟化机制，XRD证实纯相Fe₃O₄形成。
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图1Fe3O4空心微球的微观结构表征。(a) Fe3O4空心微球形成过程示意图和(b) Fe3O4空心微球时间控制结构演化的TEM图，(c) XRD图，(d, e) SEM图，(f, g) TEM图及相应的Fe和O元素映射图，(h) HRTEM图，(i) SAED图。
核壳结构构建
在Fe₃O₄表面生长MoS₂纳米片，形成均匀包覆层。STEM-HAADF及元素映射证实MoS₂壳层成功构建，HRTEM显示1T/2H混合相结构特征。
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图2 Fe3O4@MoS2的微观结构表征。(a)空心核壳结构的构造示意图，(b) Fe3O4@MoS2的XRD图谱，(c、d) Fe3O4@MoS2−2的SEM图像，(e、f) TEM图像，(g) Fe3O4@MoS2−2的HRTEM图像，(h) Fe3O4@MoS2−2的STEM-HAADF及相应的元素映射图像。(h) 中的比例尺为100 nm。
电磁性能分析
空心结构优化机制
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介电增强：Fe₃O₄/空气界面极化抵消介质稀释效应，介电常数提升35%
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磁损耗优化：空心设计增强铁磁共振，磁损耗参数μ″提高至0.25
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阻抗匹配：空腔结构使波阻抗接近自由空间，反射损耗降低至-69.01dB
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图3 Fe3O4的电磁参数和电磁波吸收性能。(a) ε′和ε″，(b)µ′和µ″，(c - f) 2D RL和RL曲线，(c) Fe3O4−1,(d) Fe3O4−2,(e) Fe3O4−3，和(f) Fe3O4−4。(g - i) 系列Fe3O4性能比较， (g) 2 ~ 5 mm厚度下的EAB，(h) 最强RL，(i)相应匹配厚度下的最宽EAB。
理论计算验证【科学指南针·DFT计算】
通过密度泛函理论计算揭示界面极化机制：
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电荷密度差：界面处电子在MoS₂侧积累，Fe₃O₄侧耗尽，形成界面偶极子
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态密度分析：费米能级附近局域载流子浓度提升2.3倍，证实界面电子转移
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图5 Fe3O4@MoS2的电磁参数和电磁波吸收性能。(a) ε ', (b) ε″，(c) tan δε, (d) μ ', (e) μ″，(f) tan δμ，(g)电荷密度差和(h)计算的DOS；2D map和RL曲线 (i) Fe3O4@MoS2−1，(j) Fe3O4@MoS2−2和(k) Fe3O4@MoS2−3，(l) Fe3O4−3和系列Fe3O4@MoS2最宽EAB及对应的匹配厚度比较。
性能对比与优化
组分调控效应
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Fe₃O₄@MoS₂-2样品表现最优：MoS₂含量适中，壳层连续分布
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介电损耗tanδε达0.42，磁损耗tanδμ提升至0.18
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有效吸收带宽覆盖C-X波段(8.40GHz)
损耗机制总结
1.界面极化：异质界面电荷重分布诱导强极化场
2.缺陷极化：氧空位等晶体缺陷增强偶极子极化
3.导电损耗：MoS₂壳层提供电子传输通道
4.磁共振：空心结构增强自然共振与交换共振
5.多重散射：核壳结构延长电磁波传播路径
结论与展望
本研究通过空心工程与核壳结构设计，实现了Fe₃O₄@MoS₂复合材料电磁衰减性能的显著提升。
通讯作者与研究团队
陈娜副教授团队
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沈阳化工大学化学工程学院博士生导师
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沈阳市优秀中青年科技创新人才
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在电磁波吸收材料领域发表高水平论文50余篇
研究成果转化
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校企合作项目累计进款210万元
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授权发明专利4项
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形成从基础研究到产业化应用的技术创新案例
原文信息：Adv Compos Hybrid Mater 2025;8:302. DOI:10.1007/s42114-025-01393-z
计算服务支持：科学指南针唯理计算平台（https://www.shiyanjia.com/simulate.html）
