DOI: 10.1016/j.carbon.2022.09.033

三维（3D）分层纳米微结构具有前所未有的物理化学特性。然而，构建具有3D分层特征的明确界定结构仍然存在巨大的挑战。在此，研究者采用静电纺丝技术和随后的高温碳化工艺制备出一种N掺杂碳纤维（NCF），其中N掺杂碳纳米管（NCNTs）垂直生长在NCF表面上，使用Fe物种作为催化剂。在3D分层结构中，Fe3C纳米颗粒（NPs）嵌入NCF基质中，而FeNPs封装在NCNT中。由于其独特的结构特征，所制备的分层结构表现出优异的电磁波吸收性能，吸收带宽为4.0GHz，最小反射损耗为-49.56dB，厚度低至1.50mm。实验和理论研究表明，分层结构增强的电磁波吸收性能可归因于金属纳米粒子的引入和3D导电网络的形成导致的传导损耗增加，以及分层结构中额外界面和缺陷引起的极化损耗增加。综上，本工作提供了一种有效的方法来制造用于高效电磁波吸收的3D结构。

图1.（a）Fe3C@NCF/Fe@NCNT的合成示意图，（b,c）Fe3C@NCF/Fe@NCNT的SEM照片，（d,e）NCF的SEM照片，（f,g）Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w的SEM图像。

图2.（a）NCF、Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w和Fe3C@NCF/Fe@NCNT的X射线衍射图，（b）高分辨率Zn2p XPS光谱，（c）高分辨率Fe2p XPS光谱，（d）高分辨率N1s XPS光谱，（e）N物种含量，（f）拉曼光谱。

图3.（a）Fe3C@NCF/Fe@NCNT的TEM像，（b）Fe3C@NCF/Fe@NCNT中NCNT部分的TEM图像，（c）Fe3C@NCF/Fe@NCNT中NCF部分的HRTEM像，（d）Fe3C@NCF/Fe@NCNT中NCNT尖端的HRTEM图像，（e）Fe3C@NCF/Fe@NCNT的TEM图像以及Fe、Zn、C、N和O的对应元素映射。

图4.（a）NCF、Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w和Fe3C@NCF/Fe@NCNT的复介电常数实部，（b）复介电常数虚部，（c）介电损耗角正切。（d）NCF、Fe3C/NCF和Fe/NCNT的态密度图。（e,f）计算的Fe3C/NCF和Fe/NCNT的电荷密度差异。

图5.（a,d）NCF、（b,e）Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w和（c,f）Fe3C@NCF/Fe@NCNT的RL曲线和二维投影图。（g）NCF、Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w和Fe3C@NCF/Fe@NCNT的最小反射损耗和最大有效吸收带宽比较。（h）Fe3C@NCF/Fe@NCNT的SRL值与其他报告进行对比。（i）NCF、Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w和Fe3C@NCF/Fe@NCNT的α曲线。

图6.Fe3C@NCF/Fe@NCNT的电磁波吸收机理图。

图7.基于远场响应的CST仿真结果：（a）NCF、（b）Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w和（c）Fe3C@NCF/Fe@NCNT。（d-f）NCF、Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w和Fe3C@NCF/Fe@NCNT的RCS仿真曲线。（g-i）NCF、Fe3C@NCF/Fe@NCNT-w和Fe3C@NCF/Fe@NCNT的雷达散射截面（RCS）缩减与俯仰面内的角度（theta）之间的关系。