隨著5G通信、電子設備爆炸式增長，電磁污染已成為威脅健康與設備安全的“隱形殺手”。傳統材料功能單一，難以滿足日漸復雜的應用環境，設計輕量化、高效吸收電磁波且具備自清潔抗菌能力的材料能夠有效提升材料在高鹽高濕條件下的使用壽命和工作可靠性。近日，中科院贛江創新研究院池嘯與譚果果研究團隊創造性地將MOF衍生物的形貌結構設計和元素組分價態空間分布結合，構建出一種非傳統的核殼結構Ce/NiCo@C材料，在維持高效電磁波吸收的基礎上實現了優異的抗菌性能。該研究以“Radial Dielectric Gradient Core–Shell Ce/NiCo@C Composites for Simultaneous Electromagnetic Wave Absorption and Antibacterial Activity via Ce³?/Ce?? Valence Modulation”為題發表在最新一期的Advanced Functional Material期刊上。

研究人員通過篩選合適的有機配體調整MOF的局部化學微環境和生長動力學控制實現了Ce離子在顆粒中的價態分離與徑向分布，在高溫退火后形成具有獨特楊梅狀結構Ce/NiCo@C。采用XPS、XAS和XAFS等多種不同深度的探測方式對顆粒進行層層剖析，得到的Ce³⁺/Ce⁴⁺的比值還原了材料中的徑向介電梯度變化，闡明了“低價態外殼-高價態內核”的特殊核殼結構。

圖1. a) Ce/NiCo@C 復合材料的合成過程；b) 整個 Ce/NiCo@C 顆粒的 SEM 圖像；c） Ce/NiCo@C 表面結構；d) 元素映射圖像；e) 針尖納米結構的 TEM 圖像；f) HRTEM 圖像（藍色的 Ni-Co 合金）；g) MOF 前驅體（上）和 Ce/NiCo@C（下）的 XRD 圖譜。

圖2. a) XPS、XAS 和 XAFS 的檢測深度；b) 高分辨率 Ce 3d XPS 光譜；c) XAS 光譜；d) 歸一化 Ce L₃邊；e) Ce/NiCo@C 和 CeO₂的 FT-EXAFS；f) Ce/NiCo@C 和 C；g) CeO₂（上）和 Ce/NiCo@C（下）的小波變換；h) Ce/NiCo@C 中 Ce 價態的空間分布和結構示意圖。

研究人員分析了Ce/NiCo@C系列材料的反射損耗曲線和磁電參數等，其中具有完整表面矩陣分布和最佳Ce³⁺/Ce⁴⁺比例的Ce/NiCo@C的有效吸收帶寬最大，達到了7.12 GHz。與其他樣品和先前報道的材料相比，具有徑向分布結構的Ce³⁺和Ce⁴⁺由于其電負性差異，在電場作用下促進了電子在導電碳網絡上的定向移動，有效增強了電子遷移極化。同時，對楊梅狀結構可以有效增大電磁波反射截面并優化阻抗匹配。

圖3. a) RL 的二維等值線與Ce/NiCo@C-Rx（x=1-4）和 Ce/NiCo@C 的厚度和頻率的函數關系；b) 核殼結構中的EMW傳輸和衰減機制；c) Ce/NiCo@C的3D RCS 圖；d) Ce/NiCo@C和PEC在−90° 至 90° 掃描角度下的 RCS 模擬曲線；e) 高頻磁電仿真和電磁波吸收以及Ce/NiCo@C的有效帶寬；f) 同類材料的性能比較，氣泡大小表示材料的相對厚度。

在抗菌機制方面，形貌引起的物理損傷和元素價態可逆切換介導的活性氧生成破壞了微生物的膜結構和正常生理功能，獲得了99%以上的抗菌率。

圖4. a) 不同配體比例樣品的菌落照片；b) Ce/NiCo@C-Rs 系列樣品共培養 4 h 后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率；c) 大腸桿菌和 d) 金黃色葡萄球菌在Ce/NiCo@C表面破裂的 SEM；e) 大腸桿菌在不同共孵育時間的菌落照片；f) 不同共孵育時間的Ce/NiCo@C抗菌率和相應時間的表面 Ce³⁺百分比；g) Ce/NiCo@C 的抗菌機制。

綜合而言，Ce/NiCo@C具有獨特的微觀形貌和由化學組分導致的徑向介電梯度結構，在形態和化學特點上實現了雙性能的結合，為未來兼具抗菌效果的吸波材料提供一種新的思路。