煤液化油渣基多孔炭材料的制备及其电磁波吸收性能

王建立， 尹 甜， 张 晨， 杨 旺,*， 蒋 波， 李永峰,*， 徐春明

（1. 中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 102249；2. 中国神华煤制油化工有限公司，北京100011）

1 前言

随着5G 时代的来临，电子信息技术飞速发展，电磁波在军事和民用领域的应用也越来越广泛，给人类生产生活带来了巨大便利，但随之而来的电磁辐射污染也成为全球关注的问题。辐射的电磁波会干扰机器设备的正常运行并造成信息泄露，人们生存的电磁环境将变得更为复杂，所产生的有害电磁波将会造成更大的威胁[1-3]。因此，解决电磁辐射污染问题变得越来越重要。电磁波吸收材料是一种能够使入射电磁波的能量通过介质损耗或磁损耗转化为热能及其他形式的能量，或者通过干涉相消使电磁波损耗掉的电磁功能材料[4-6]。它的组成和结构对吸收能力起着至关重要的作用。当前严峻的电磁辐射问题使高性能新型电磁波吸收材料的需求也越来越紧迫[7]。

目前，各种类型的吸波材料已相继被开发出来，包括磁性材料（磁性金属及其氧化物、合金、铁氧体等）、陶瓷材料（炭化硅、氮化硅、氧化锌、氧化钛等）、导电聚合物（聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等）、MXene 和炭材料等[1-2,7-9]。其中，碳基吸波材料（石墨烯、碳纳米管和多孔炭等）因来源丰富、质量轻、比表面积大、结构多样和介电常数可调等优势受到了青睐[10-15]，在电磁波吸收领域显示出巨大的应用潜力。然而，由于炭材料高的电导率会导致阻抗不匹配[12,16-17]，从而使电磁波在材料表面将被反射而不是进入到材料内部被吸收。因此，合理优化炭材料的电导率从而实现良好的阻抗匹配和电磁波衰减能力对提高其吸波性能至关重要[18-20]。现有研究结果表明，孔结构的构筑是调节炭材料阻抗匹配和电磁波衰减能力的有效手段之一。一方面，相互贯穿的多孔结构能够有效提供丰富的界面，可通过空气/碳之间的界面实现丰富的界面极化[2,20-23]；另一方面，根据有效介质理论，孔隙中空气的存在不但降低了炭材料密度，同时可以有效降低介电常数，调节阻抗匹配特性，提高电磁波在炭材料内部的耗散能力和衰减强度[24-25]。因此，相比还未得到大规模工业化应用的石墨烯和碳纳米管来说，多孔炭被认为是更具有工业化生产应用潜力的高附加值碳基吸波材料。

多孔炭材料因其优异的特性近年来在电磁波吸收衰减领域受到广泛的关注，然而，在传统的多孔炭制备过程中，常采用炭化MOF、有机碳源以及生物质材料等方法，但是这些制备工艺普遍面临着成本高昂、制备繁琐等瓶颈[26,27]。用低成本、来源丰富和高碳质量分数的矿物碳源合成各种功能炭材料备受人们关注和研究。煤液化油渣是煤加氢液化过程中从减压蒸馏塔底分离出的残渣，约占原煤质量的30%，是一种碳质量分数和灰质量分数较高的沥青状固体副产物。煤液化油渣主要是由重质液化油、沥青类物质、未转化煤粉、催化剂、无机物组成，因具有芳香度、含碳量高等优势，是一种制备炭材料的有效原料。采用煤液化油渣为碳源制备多孔炭有望实现渣油的高附加值利用并降低生产成本。然而，在传统的煤液化油渣转变多孔炭材料中，常涉及有机溶剂、强酸强碱的使用或者后续模板的去除过程，不利于工业化生产。因此，从煤液化油渣成分入手，建立煤液化油渣转变炭材料的绿色低廉工艺路线，定向开发功能性多孔炭材料，可广泛应用于储能、电磁波吸收等领域，创造巨大的实际应用价值。

基于此，通过以煤液化油渣为原料，采用NaHCO3盐模板高温煅烧制备出一种相互连通的多孔结构炭材料，NaHCO3在高温热解过程中会产生CO2和H2O 气体，促进多孔结构的形成，此外，Na2CO3骨架也有利于碳组分的附着、促进石墨化，并且生成的Na2CO3仅采用水洗方式便能顺利去除。总之，本工作成功以煤液化油渣为原料实现了多孔炭材料的绿色制备，所获得的多孔炭材料展示出优异的吸波性能。考虑到简单的合成方法以及较低的原料成本优势，该工艺路线具有实际应用潜力，为煤液化油渣的高附加值利用提供新的思路。

2 实验

2.1 实验药品

煤液化油渣由中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司提供，氩气购于北京氦普有限公司，碳酸氢钠（NaHCO3）、正己烷、石蜡等购于天津光复化学试剂厂。

2.2 多孔炭材料（PCs）的制备

首先，将煤液化油渣粉末（3.33 g）、NaHCO3模板（16.67 g）及不锈钢珠放于球磨罐中，以400 r/min 球磨12 h。之后用高速搅拌器对球磨后的混合物进行粉碎搅拌，并将混匀后的混合物转移到带盖瓷舟中，在Ar 氛围下以10 °C min-1的升温速率升温至800 °C 并保温2 h，自然降温后则得到黑色粉末。为了除去模板，用乙醇和去离子水对黑色粉末进行充分洗涤，干燥后获得最终产品。对煅烧温度进行了调变，将700、800 和900 °C 煅烧温度下得到的产物分别命名为PC-700、PC-800、PC-900。此外，为了进行对比，其他条件相同情况下，不加NaHCO3模板剂800 °C 煅烧制备得到C-800 样品。

2.3 材料表征

通过扫描电子显微镜（SEM，FEI Quanta 200F）和透射电子显微镜（TEM，JEOL，JEM-2100）观察样品的形貌和微观结构，用Micromeritics ASAP 2020 仪器在77 K 下通过N2吸附/解吸等温线研究样品的比表面积和孔径分布，使用CuKα 辐射（λ=1.540 6 Å）（Bruker D8 advance）通过X 射线衍射（XRD）对样品的结晶相进行表征，使用激光共焦拉曼显微镜系统（Horiba）获取样品的拉曼光谱（λ=532 nm），以实现对于碳组分的结晶度分析。

2.4 电磁波吸收性能测试

将待测样品与石蜡按照一定的质量比加入到正己烷中，超声混合均匀后通过加热除去正己烷溶剂，获得特定样品质量填充比的石蜡/多孔炭混合物。利用模具将石蜡混合物压制成内径为3.04 mm、外径为7.0 mm 的同心圆环。利用矢量网络分析测试仪（N5224A，Agilent）通过同轴线法对所得样品环的电磁参数进行表征，频率测试范围为2～18 GHz。测试之前，重复校准直到测量的空气电磁参数在标准的误差范围内。材料的吸波性能一般用反射损耗值（RL）来评价。根据传输线理论，RL值可以通过电磁参数计算得到，其计算公式如下[1,7,16]：

式中Zin是吸波材料的输入阻抗；Z0对应于自由空间的阻抗；εr和μr分别表示相对复介电常数和相对复磁导率；d是吸波材料厚度；ƒ表示电磁波的频率；c为光速。

3 结果与讨论

3.1 材料微观结构分析

采用煤液化油渣为原料制备多孔炭材料的合成示意图见图1。NaHCO3在煤液化油渣萃余物炭化过程中充当盐模板剂，为碳原子的沉积提供了合适的骨架表面，从而减缓高温热解过程中碳的聚集。随着煅烧温度升高到100 °C 左右，NaHCO3逐渐分解生成CO2、H2O 和Na2CO3（2NaHCO3→ Na2CO3+ H2O↑+ CO2↑，图S1 中stage 1 阶段)，从而实现了多孔结构的形成[28-29]。温度到达400 °C 左右时，煤液化油渣中的有机物质将发生分解（图S1 中stage 2 阶段)，同时模板原位生成的Na2CO3晶体进一步用作碳原子生长的催化剂和模板，实现了碳层在Na2CO3模板表面的沉积，从而构筑形成具有一定石墨化程度的多孔炭层。在600 °C 之后，材料的质量基本保持稳定（图S1），说明其中的有机物已经完全转化成了多孔炭材料。这也进一步说明选择700、800、900 °C 作为煅烧温度是比较合理的。从整个制备工艺流程来说，原料及模板来源丰富、价格低廉，合成路线简单，因此也展现出了一定的规模化生产潜力。

图 1 以煤液化残渣为碳源制备多孔炭材料的合成示意图Fig. 1 Schematic diagram of preparing porous carbon materials derived from coal liquefaction residue as carbon source

通过SEM 来获取制备所得炭材料的微观形貌信息。如图S2a-b 所示，当未添加NaHCO3模板剂时，单独炭化煤液化油渣萃余物得到的样品（C-800）呈现出不规则的大尺寸团块状结构，这主要是炭材料在热裂解过程中缺乏有效沉积表面造成的，这种大块体结构对于材料的导电性以及后续石蜡中的微波衰减路径的构建会产生不利影响。当添加NaHCO3模板时，炭化得到的产品呈现出截然不同的形貌。如图S2c-d 所示，当未去除模板时，所得样品呈现块体结构，但颗粒尺寸有所减小，同时在其表面还可以观察到大量的孔洞及模板剂的存在，其中孔洞结构主要是由NaHCO3模板剂高温分解产生的气体所致。由此可知，在煤液化油渣高温炭化过程中，NaHCO3模板剂一方面可以有效地避免热活化后的碳原子在组装过程中的团聚现象，另一方面NaHCO3模板剂也起着造孔作用。经水洗后样品中的盐模板得到去除，所得样品呈现出明显的多孔炭结构（图2a-d），且可以看出炭化温度的变化会对多孔炭结构产生较大影响。当温度为700 °C（PC-700）和800 °C（PC-800）时，炭化所得到的炭材料结构差别不大，均拥有褶皱碳层形貌，并且展现出丰富的相互连通孔结构，这来源于模板剂的骨架结构作用。然而，当炭化温度继续升高到900 °C 后（PC-900）（图2e-f），原位生成的Na2CO3模板会发生熔融现象，并且还会与煤液化油渣萃余物中原本存在的金属氧化物杂质进行固相反应，从而使最终得到的炭材料尺寸增大，造成孔结构不明显。接着，进一步通过TEM 来揭示材料的微观结构（图2g-h），在PC-800 样品中可以明显看到碳层结构的存在，碳层较厚且呈现出短程无序的结构，也反映出石墨化程度不高，使得样品的导电性能够在一定程度上得到控制。此外，从TEM 照片中可以明显看到黑色颗粒负载在碳层表面，电子衍射图中杂乱的白点也说明了其他组分的存在（图2i），这主要来自于原料中的氧化物灰分（如SiO2、Al2O3等）。值得一提的是，这些杂质在电磁波吸收中可能起着一定的作用，一方面能够有效降低材料的导电性从而提升阻抗匹配能力；另一方面其与碳导电性的差异可以提供异质界面来增强极化损耗作用，这也能反映出以煤液化油渣为碳源制备多孔炭基电磁波吸收材料的独特优势。

炭材料结构信息进一步采用拉曼光谱来进行分析。如图3a 所示，所有的样品均显示出两个明显的特征峰，其分别对应于1 350 cm-1附近出现的D峰和1 580 cm-1附近出现的G峰。D峰代表着sp3缺陷碳的A1g振动模式，而G峰代表着sp2石墨碳的E2g振动模式，因此D峰和G峰常分别被用来表征炭材料的缺陷以及石墨化程度[1,7,31]。常用D峰与G峰的相对强度比（ID/IG）来直观反映炭材料的缺陷程度[25]。在电磁波衰减机制中，碳的缺陷起着重要作用，在外加电场作用下会起到极化中心的作用，产生偶极极化从而提升介电损耗能力。四个样品ID/IG值分别为0.85（C-800）、0.98（PC-700）、1.03（PC-800）和0.88（PC-900）。可以看出，当使用模板剂后，ID/IG值增大，D峰比例增加，说明多孔结构的引入可以增加炭材料的缺陷强度，并且PC-800 的ID/IG值最高，意味着其具有的多级几何形状和尺寸可以产生更多的结构缺陷。此外，温度对炭材料的石墨化程度产生影响，当温度升高到900 °C 时，G峰强度增加，其ID/IG值相比PC-700 和PC-800 有所降低，主要归结于高的温度促进了石墨化程度的增加。

通过XRD 对炭材料的晶体结构进行表征，其结果如图3b 所示，在C-800、PC-700、PC-800 和PC-900 四个样品中均检测到明显的SiO2峰，相比于Raman 谱图中炭材料出现明显的碳信号峰，XRD 衍射图中未出现碳的特征衍射峰，这主要可能是由于非金属氧化物组分的衍射峰较强导致炭材料不能被检测到。此外，样品中未发现NaHCO3的衍射峰，表明模板剂完全被洗涤去除。为表征所得多孔炭材料的孔结构和孔隙率，采用N2吸附-解吸等温线和孔径分布曲线对孔结构信息进行了分析。如图3c 所示，PC-800 样品表现典型的介孔特征，属于IV 型曲线特征[25,31-32]，孔径分布曲线也证实了样品具有包括大孔、介孔和微孔在内的多尺度孔隙结构（图3d）。相比未添加模板的C-800 样品而言（1.47 m2g-1），PC-800 样品的比表面积有着大幅度提高（954.2 m2g-1），证实了NaHCO3模板在构建多孔结构中发挥了关键作用。孔径分析结果表明，所制备得到的多孔炭材料具有丰富的多级孔结构，与SEM 照片中相互贯穿的孔结构相印证。这种丰富的孔隙结构可以产生大量的固-气界面，在外界电磁场作用下产生强烈的界面极化，从而能够耗散更多的电磁波能量[17,20,33]。

图 3 不同样品的（a）拉曼光谱图与（b）XRD 图。PC-800 及C-800 的（c）氮气吸脱附等温曲线图及（d）孔径分布曲线图Fig. 3 (a) Raman spectra and (b) XRD patterns of different samples; (c) N2 adsorption-desorption isotherms and(d) pore size distributions of PC-800 and C-800 samples

3.2 材料电磁参数及电磁波吸收性能分析

在电磁波吸收性能评价中，复介电常数（εr=ε′-jε′′）和复磁导率（μr=μ′-jμ′′）是决定材料吸波性能的关键参数。通常，ε′(μ′)和ε′′(μ′′)分别代表材料对电能(磁能)的存储和损耗能力。此外，介电损耗正切值（tanδe=ε′′/ε′）也是一个重要评价指标，其值越高表示介电损耗能力越大[30-31]。吸波材料的电磁参数测试主要通过将其与石蜡混合来测量。石蜡在测试过程中仅作为黏合剂和透波基质，不具有电磁波吸收性能（图S3），因此能够反映出材料的真实本征吸波性能。从图S4 可以看到，不同温度下制备所得多孔炭材料样品的磁导率的实部约为1，磁导率的虚部约为0，意味着这些材料的磁性非常小，因而磁损耗作用可以忽略[19,33]。

为了揭示煅烧温度对材料电磁波吸收性能的影响，在质量分数为10%的相同的填料负载量下分别获得了PC-700、PC-800 和PC-900 三个样品的介电常数。图4a-b 显示，所有样品复介电常数的实部和虚部（ε′和ε′′）均随着频率的增加而呈现下降趋势，这主要是介电材料频散现象导致的[34-35]。其中，PC-700、PC-800 和PC-900 的ε′值分别为3.4～2.9、12.7～8.1 及2.9～2.6，而ε′′值则分别为0.3～0.2、4.6～2.2 与0.08～0.07。可以看出，随着温度升高到800 °C，材料ε′和ε′′值明显增加。但是当温度升高到900 °C 时，介电常数显著降低，这主要归结于样品发生了明显的团聚情况，以至于在10%的填充量下难以在石蜡基质中形成有效的导电网络通道。未添加模板的对比样C-800 也呈现出类似规律，由于大块体结构的存在以及缺乏孔结构，样品的介电常数非常低（图S5）。值得注意的是，PC-800 样品的ε′值在测试频率范围内存在波动现象，并且在5～18 GHz范围内出现几个弛豫峰。这是因为，碳骨架中的缺陷结构能够充当极化中心，从而形成偶极极化[12]。此外，由于异质组分和多孔结构的存在，会形成丰富的异质界面，空间电荷在异质界面处的积累也会引发强烈的界面极化[32,36]。

图 4 PC-700、PC-800 和PC-900 三个样品的复介电常数（a）实部和（b）虚部。不同样品的Cole-Cole 曲线图：（c）C-800、（d）PC-700、（e）PC-800 和（f）PC-900Fig. 4 The relative permittivity (a) real part and (b) imaginary part for PC-700, PC-800, and PC-900 samples. The Cole-Cole plots for (c) C-800, (d) PC-700,(e) PC-800 and (f) PC-900

根据德拜理论，可以采用Cole-Cole 半圆（ε′′和ε′之间的关系）对弛豫过程进行分析，其表示为以下方程[19,37]：

式中εs表示静态介电常数，ε∞是无限频率下的相对介电常数。已知每个半圆对应于一个德拜弛豫过程。在图4c-f 中，所有样品都包含多个半圆的扭曲曲线，表示存在多个德拜弛豫过程。这对应于图4a-b 中高频区域中的几个不同的弛豫峰。此外，图形中长的直线意味着更强的电导损耗[30]。在PC-800 样品的Cole-Cole 环中可以观察到长直线尾巴（图4e），证明其在石蜡环中形成了相对较好的导电损耗通道。并且，尾部的直线主要分布在2～6 GHz 的低频范围，结合介电常数谱图可以看出具有丰富空腔的多孔炭材料在低频区域具有更多的介电损耗行为[17]。通过以上分析可知，界面极化、电导损耗、偶极子极化等多种介质损耗的方式将协同作用于电磁波，所制备的多孔炭材料有望展示出卓越的电磁防护效果。

根据传输线理论，在2～18 GHz 的频率范围内，电磁波吸波材料的具体吸收特性可以通过公式（1）和（2）来评估[1,38]。通常，RL值越低意味着吸波材料的电磁波吸收性能越好，RL值小于-10 dB 被认为是有效吸收的阈值，表示90%的电磁波可以被吸收，这常作为吸波材料的实际应用标准。同时，RL＜-10 dB 所对应的频率范围被称为有效吸收带宽（EAB）。从图5 可以看出，随着厚度和频率改变的三维和二维的RL图直观地反映出了RL值变化规律，其中PC-700 样品展现出一定的电磁波吸收能力（图5a-b），当匹配厚度为2.64 mm 时，最小RL值在11.0 GHz 处达到了-27.8 dB，其最大EAB为4.32 GHz。对于PC-900 样品来说（图5e-f），在整个2～18 GHz 范围内，不同厚度下的样品均未展现出超过-10 dB 的RL值，这意味着它们在当前频率范围内难以实现有效的电磁波吸收。相比之下，PC-800 样品在所测试的频率范围内呈现出截然不同的电磁波吸收性能。如图5c-d 所示，当匹配厚度为2.03 mm时，PC-800 的RL值最小，在13.4 GHz 处达到了-60.28 dB，意味着99.999 9%的电磁波均能够被有效吸收损耗掉，并且PC-800 样品可在此厚度下达到5.36 GHz 的最宽EAB。此外，图6a 显示PC-800 样品在不同厚度下的RL值，随着样品厚度的增加，其最强吸收峰向低频移动，这与四分之一波长模型相印证，即在空气-吸波剂表面反射的电磁波与吸波剂-金属表面反射的电磁波相位差180°，发生干涉相消现象促进了电磁波的衰减。从图S6 中可以看出，实验值与理论计算值相接近，进一步论证了此干涉相消行为的存在，也意味着可以通过简单地改变厚度来调整材料的电磁波吸收特性。甚至当吸收厚度在1.6 7 ～5.0 mm 的厚度范围内变化时，其RL数值都可以达到-20 dB 以下，这一数值是99%微波被吸收衰减的标准线，更加能够说明材料优异的电磁波吸收能力。此外，该材料详细的EAB信息如图6b所示，随着厚度的变化，PC-800 材料可以在4～18 GHz（几乎覆盖整个C、X 和Ku 波段）范围内显示出强的吸收性能。例如在4.3 GHz（C 频段）低频下，厚度为5.0 mm 时其RL仍能达到-21.5 dB。与前面分析结果一致，块体结构的C-800 样品由于不具备多孔结构，材料显示出极差的电磁波吸收能力（图S7），进一步论证了多孔结构对于炭材料吸收性能的重要影响。

良好的阻抗匹配和电磁波强衰减能力是判断材料电磁波吸收性能的两个重要参数。当吸波材料的阻抗越接近自由空间的阻抗，意味着可以有更多的电磁波能够进入到材料的内部，否则电磁波将从其表面反射。其阻抗匹配模量|Zin-1|可以通过公式（2）来计算，当|Zin-1|值接近于0 时，表示更多的电磁波可以进入吸波材料内部并被耗散而不是被反射[30-31]。如图7c 所示，PC-900 的|Zin-1|值远离基线，表明其阻抗匹配非常差。与此形成鲜明对比的是，在11～17 GHz频率范围内的多个厚度下，PC-800 吸波剂的|Zin-1|完全接近于0（图7b），这很好地满足了电磁波吸收材料的要求。与PC-800 相比，PC-700 的阻抗匹配相对较差（图7a）。PC-800 材料优异的阻抗匹配应归因于其独特的结构特点，丰富界面的相互连通多孔炭结构可以极大地促进电磁波进入吸波材料，这赋予吸波材料多频率和高效的吸收性能。此外，材料的吸收性能也取决于电磁波进入后的衰减能力，其值可通过衰减常数（α）进行有效评估，衰减常数计算公式如下[31]：

图 7 （a）PC-700、（b）PC-800 和（c）PC-900 在不同厚度下的|Zin-1|. （d）2～18 GHz 下3 个样品的衰减常数（α）Fig. 7 The modulus of Zin-1 at different thicknesses of (a) PC-700, (b) PC-800 and (c) PC-900.(d) The attenuation constant (α) for 3 samples from 2 to 18 GHz

通常，α值越高表示其衰减能力越强。如图7d 所示，随着导电衰减网络的良好构建，衰减能力逐渐增加。与阻抗匹配结果相似，PC-800 样品的α值为43.5～205.9，展现出最优的衰减能力，明显高于PC-900 的α值。因此，凭借良好的阻抗匹配和强的衰减能力， PC-800 材料实现了优异的电磁波吸收性能，与近年文献报道的吸波材料相比，其在填充量、RL以及EAB具有明显的优势（Table S1）。从图6a、7b 及7d 可以看出，当吸收厚度同时满足合适的阻抗匹配程度与强的衰减能力时，才能够表现出高效的电磁波吸收效果，进一步论证了阻抗匹配与衰减能力的重要性。

电磁波吸波材料在石蜡中的填充比是影响其吸波性能的一个重要因素，对于一种有效的吸波材料，其在石蜡基质中的填充比往往具有一个比较优异的范围，过高或过低均会带来不利影响。需指出的是，对于PC-800 来说，10%（质量分数）是其最优填充量（图S8）。尽管PC-700 和PC-900 在10%填充量下展现出较差的电磁波吸收能力，但是改变填充量可以一定程度上改善其性能。图S9 分别显示了PC-700 和PC-900 在不同填料载量下的复介电常数。可以发现：随着填料填充量的增加，其ε′和ε′′的值也随之整体呈现上升趋势。基于曹等提出的聚集诱导电荷输运机制和传导网络模型[39-40]可知，电子可以在吸收剂之间的界面上迁移或跳跃。在低填料载量下，吸收剂不足，导致衰减行为相对较差。随着吸收剂的增加，跳跃电子的能垒降低，从而产生微电流互连网络。但当填充量过高，其阻抗匹配会变差，阻碍了电磁波向电磁感应材料内部的传输。通过优化填充量，PC-700 和PC-900 分别在质量分数为12.5%以及45%的填充比下展现出最优的性能（图S10），但与PC-800 相比，它们在吸收强度以及有效频宽方面仍有一定的差距。此外，较高的填充比不利于电磁波吸收材料的实际应用。综上所述，具有合理孔道结构的PC-800 展现出更具应用潜力的电磁波吸收性能，这也成功论证了利用煤液化沥青残渣制备高性能碳基介电型电磁波吸收材料的可行性。

基于以上分析，进一步提出了PC-800 多孔炭材料可能的吸波机理。首先，相互贯通的多孔结构有助于良好的阻抗匹配，当入射电磁波垂直于吸收体表面时，更多的电磁波将进入样品内部。随后，多种损耗机制的协同作用将有助于衰减入射电磁能量（图8）。（i）PC-800 多孔炭材料的边缘或表面有大量的缺陷以及其他异质组分（如SiO2等），它们可以作为极化中心，通过诱导偶极极化从而提高介电损耗能力；（ii）PC-800 多孔炭与空气之间存在大量的异质界面，可以看作是类电容结构。在交变电场的作用下，非均匀界面发生电荷积累和振荡，有利于增强界面极化；（iii）在等效电路模型中，非晶态碳作为电阻，其中碳骨架中有足够的孔洞构成了类电容结构，并且交联导电网络的形成可以有效地降低电子跃迁和迁移的能垒，形成随着外加电磁场的变化而变化的感应微电流，从而提高了导电损耗能力；（iv）相互交联的多级孔纳米片结构有利于电磁波的多重反射和散射，通过延长电磁波传播路径损耗电磁波。因此，在良好阻抗匹配的前提下，多重损耗机制的共同作用促使了PC-800 达到了一个优异的电磁波吸收效果，特别是在填充比和吸收能力方面均展现出良好的实际应用价值。

图 8 电磁波吸收机理示意图Fig. 8 The electromagnetic waves absorption mechanisms of the PC material

4 结论

综上所述，以资源丰富的煤液化油渣为碳源，通过NaHCO3盐模板策略提出了一种简便可控制备多孔炭材料的方法，并详细验证了其作为介电型电磁波吸收材料的可行性。此策略制备得到的多孔炭材料呈现出相互连通的多孔结构，赋予了材料良好的阻抗匹配性能。凭借多孔炭材料内部偶极极化、界面极化、电导损耗、多重反射和散射多重损耗机制的协同作用，在800 °C下制备得到的PC-800 样品展现出强的电磁波吸收能力。仅在质量分数为10%的填充量下，获得的多孔炭材料在2.03 mm 厚度下达到了-60.28 dB的吸收性能，并实现了5.36 GHz 的有效吸收宽度。因此，本工作为高性能电磁波吸收材料的开发提供了一种新的思路，同时也为煤液化残渣的高值化利用开辟了新的途径。

致谢

感谢国家自然科学基金(2 1 9 0 8 2 4 5，22178384)。