随着5G通信、电子设备爆炸式增长，电磁污染已成为威胁健康与设备安全的“隐形杀手”。传统材料功能单一，难以满足日渐复杂的应用环境，设计轻量化、高效吸收电磁波且具备自清洁抗菌能力的材料能够有效提升材料在高盐高湿条件下的使用寿命和工作可靠性。近日，中科院赣江创新研究院池啸与谭果果研究团队创造性地将MOF衍生物的形貌结构设计和元素组分价态空间分布结合，构建出一种非传统的核壳结构Ce/NiCo@C材料，在维持高效电磁波吸收的基础上实现了优异的抗菌性能。该研究以“Radial Dielectric Gradient Core–Shell Ce/NiCo@C Composites for Simultaneous Electromagnetic Wave Absorption and Antibacterial Activity via Ce³⁺/Ce⁴⁺ Valence Modulation”为题发表在最新一期的Advanced Functional Material期刊上。

研究人员通过筛选合适的有机配体调整MOF的局部化学微环境和生长动力学控制实现了Ce离子在颗粒中的价态分离与径向分布，在高温退火后形成具有独特杨梅状结构Ce/NiCo@C。采用XPS、XAS和XAFS等多种不同深度的探测方式对颗粒进行层层剖析，得到的Ce³⁺/Ce⁴⁺的比值还原了材料中的径向介电梯度变化，阐明了“低价态外壳-高价态内核”的特殊核壳结构。

图1. a) Ce/NiCo@C 复合材料的合成过程；b) 整个 Ce/NiCo@C 颗粒的 SEM 图像；c） Ce/NiCo@C 表面结构；d) 元素映射图像；e) 针尖纳米结构的 TEM 图像；f) HRTEM 图像（蓝色的 Ni-Co 合金）；g) MOF 前驱体（上）和 Ce/NiCo@C（下）的 XRD 图谱。

图2. a) XPS、XAS 和 XAFS 的检测深度；b) 高分辨率 Ce 3d XPS 光谱；c) XAS 光谱；d) 归一化 Ce L₃边；e) Ce/NiCo@C 和 CeO₂的 FT-EXAFS；f) Ce/NiCo@C 和 C；g) CeO₂（上）和 Ce/NiCo@C（下）的小波变换；h) Ce/NiCo@C 中 Ce 价态的空间分布和结构示意图。

研究人员分析了Ce/NiCo@C系列材料的反射损耗曲线和磁电参数等，其中具有完整表面矩阵分布和最佳Ce³⁺/Ce⁴⁺比例的Ce/NiCo@C的有效吸收带宽最大，达到了7.12 GHz。与其他样品和先前报道的材料相比，具有径向分布结构的Ce³⁺和Ce⁴⁺由于其电负性差异，在电场作用下促进了电子在导电碳网络上的定向移动，有效增强了电子迁移极化。同时，对杨梅状结构可以有效增大电磁波反射截面并优化阻抗匹配。

图3. a) RL 的二维等值线与Ce/NiCo@C-Rx（x=1-4）和 Ce/NiCo@C 的厚度和频率的函数关系；b) 核壳结构中的EMW传输和衰减机制；c) Ce/NiCo@C的3D RCS 图；d) Ce/NiCo@C和PEC在−90° 至 90° 扫描角度下的 RCS 模拟曲线；e) 高频磁电仿真和电磁波吸收以及Ce/NiCo@C的有效带宽；f) 同类材料的性能比较，气泡大小表示材料的相对厚度。

在抗菌机制方面，形貌引起的物理损伤和元素价态可逆切换介导的活性氧生成破坏了微生物的膜结构和正常生理功能，获得了99%以上的抗菌率。

图4. a) 不同配体比例样品的菌落照片；b) Ce/NiCo@C-Rs 系列样品共培养 4 h 后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率；c) 大肠杆菌和 d) 金黄色葡萄球菌在Ce/NiCo@C表面破裂的 SEM；e) 大肠杆菌在不同共孵育时间的菌落照片；f) 不同共孵育时间的Ce/NiCo@C抗菌率和相应时间的表面 Ce³⁺百分比；g) Ce/NiCo@C 的抗菌机制。

综合而言，Ce/NiCo@C具有独特的微观形貌和由化学组分导致的径向介电梯度结构，在形态和化学特点上实现了双性能的结合，为未来兼具抗菌效果的吸波材料提供一种新的思路。