中国科学院青海盐湖研究所西北工业大学吴宏景课题组AS：摩擦辅助液态金属驱动低氧化还原电位金属离子锚定以增强电磁波吸收

Wiley

2025-11-07

研究背景

克服限制金属离子还原/锚定策略的基本热力学-动力学困境对于推进依赖于精确电子转移和稳定界面的下一代技术至关重要。金属离子与基底之间的氧化还原电位不匹配会产生显著的热力学壁垒，阻碍反应的顺利进行；同时，缺陷/边缘位点的分布有限会抑制锚定效率，限制活性位点的充分利用。尽管外部能量输入能够克服这些壁垒，但往往会激活非选择性反应路径，生成不期望的副产物，破坏界面稳定性，这些因素共同带来了动力学不稳定性风险，阻碍了实际应用的推进。

文章概述

西北工业大学物理科学与技术学院吴宏景教授课题组提出了一种摩擦辅助液态金属策略，通过在超声环境下，利用固态镓铟颗粒相互摩擦发生“固-液相变”，并将界面产生的高能摩擦能量用于低还原电势金属离子的还原与锚定。液态金属界面摩擦产生的高能局部电场和定向电荷转移，不仅能够提供充足的自由电子以降低低还原电势金属离子的还原势垒，还能通过镓铟之间功函数诱导电荷差异实现离子的精准捕获，从而抑制副反应。基于该策略，有效的将Zn²⁺成功还原锚定在液态金属表面，并形成了独特的InGaZn₅O₈晶体结构，这种结构因锌-镓原子替代引发电荷对称破缺，并伴随大量氧空位和晶格应变，能显著增强材料对电磁波的极化损耗能力，LM-Zn-8样品在1.3毫米的厚度下，有效吸收带宽达到5.92 GHz，远超现有镓铟基液态金属吸波材料。同时，摩擦辅助策略展现出良好的普适性，通过实验验证有效的推广到Cr³⁺、Al³⁺等其他低还原电势离子。这项技术不仅解决了低还原电势金属离子的高效利用难题，更揭示了摩擦辅助下“机械能-化学能-电磁性能”的转化机制，为解决电磁污染和提升设备安全性提供关键材料支撑。

图文导读

图1 a) LM-X-y 的合成过程示意图；b) 所选元素的标准电极电势：红色代表 Ga/In，蓝色代表低还原电势金属离子，灰色代表高还原电势金属离子；c) Ga/In 在不同晶面上的功函数及相应的表面态密度；d) Ga/In在(001)和(110)晶面上的差分电荷密度分布；e) 利用COMSOL Multiphysics软件模拟的不同摩擦距离下的电势分布。

图2 a) 摩擦辅助液态金属还原并锚定Zn²⁺所制备样品的XRD图谱；b) 锌盐还原及离子锚定机理示意图；c) LM-Zn-8的扫描电子显微镜图像及线扫描元素分布谱；d、e) LM-Zn-8和 LM-Zn-35的高分辨率透射电子显微镜图像及几何相位分析；f) LM-Zn 样品中Zn 2p的高分辨率XPS；g) LM-Zn样品中O 1s的高分辨率XPS；h) Ga³⁺ 2p和 In³⁺ 3d的结合能位移对比。

图 3 a) 基于传输线理论计算的LM-Zn-6、LM-Zn-8、LM-Zn-10和LM-Zn-35的RL和EAB；b) LM-Zn体系在不同厚度下有效吸收带宽值的热图；c) LM-Cr和LM-Al体系的性能变化规律；d) LM-Z 体系与其他液态金属基电磁波吸收材料在有效吸收带宽/厚度及厚度方面的对比。

图4 a) 不同锌盐浓度所制备样品的复介电常数；b) LM-Zn-x（其中x=6、8、10、30和35）的本征电导率；c) 激发波长为375 nm的光致发光光谱；d) 不同锌盐浓度下LM-Zn体系的EPR；e) 通过DFT计算得到的ZnO的功函数；f) 含与不含氧空位的InGaZn₅O₈和ZnO的电子局域函数；g) LM-Zn中电磁波损耗机理示意图。

期刊简介

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