Nano-Micro LettersSynergistic sp‑C/sp‑N Anchoring of Metal Single Atoms on Graphdiyne for Enhanced Microwave Absorption
Yihao Fan, Haichuan Cheng, Pengyu Deng, Jianfeng Wu*, Baoliang Zhang*
Nano-Micro Letters (2026)18:345
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02187-8
本文亮点
1. 精准配位，效能跃升：首次在石墨炔上通过sp‑N与sp‑C的协同作用，构筑了FeN₂C₂单原子配位结构。该结构引发了更强的电荷转移与偶极极化，使材料在2.0 mm厚度下实现了5.98 GHz的有效吸收带宽和-51.2 dB的最小反射损耗。
2. 可扩展平台，广谱筛选：将单原子策略可拓展至Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn等一系列3d过渡金属，系统揭示了金属电子结构与吸波性能的构效关系。
研究背景
随着电磁防护与隐身需求的激增，轻质、宽频、高效的碳基吸波材料成为研究热点。新兴二维碳材料石墨炔，因其独特的sp/sp²共轭网络和高载流子迁移率，在吸波领域潜力巨大。然而，纯GDY损耗能力有限，如何有效增强其电磁波衰减是核心挑战。单原子修饰策略虽能通过界面极化与电荷转移提升碳基底性能，但在石墨炔上精准可控地构筑并调控单原子配位环境，及其如何影响导电与极化损耗的微观机制，依然是亟待阐明的前沿科学问题。
内容简介
针对上述挑战，西北工业大学张宝亮团队利用石墨炔丰富的炔键和可掺杂特性，提出了一种sp‑N/sp‑C协同稳定单原子的创新策略。他们成功在三维球状GDY上构筑了FeN₂C₂和FeC₄两种配位结构的单原子吸波剂。研究发现，相较于仅由sp‑C锚定的FeC₄，由sp‑N和sp‑C共同锚定的FeN₂C₂配位环境能引发更强的中心金属电荷转移和局部电场极化。这种“多极化位点协同”效应与氮掺杂优化的导电性相配合，实现了材料介电损耗与阻抗匹配的双重优化。该策略不仅让GDY的吸波性能大幅提升，还为设计原子级精确的电磁功能材料提供了清晰的理论指导与实验范式。
图文导读
I 锚定有术：FeN₂C₂单原子的精准构筑
如图1所示，团队通过微乳液聚合法制备了球形GDY基底，随后依次进行金属离子吸附和氮源(三聚氰胺)混合退火。在此过程中，氮原子优先取代临近苯环处的sp‑C，与相邻碳原子共同形成稳定的FeN₂C₂配位结构，将Fe单原子牢固地“铆定”在GDY网络上。球差电镜证实了Fe原子的单分散状态，XAFS与XPS则共同解明了其精细的配位化学环境(图2)。
图1. Fe‑N‑GDY的合成路线与微观结构表征。
图2. Fe‑N‑GDY的精细结构表征与化学态分析。
II 极化增强与导电优化：介电响应的“双重奏”
实验与DFT计算相结合，揭示了FeN₂C₂结构优化介电性能的内在机制(图3)。一方面，sp‑N的引入产生了n型掺杂效应，提升了费米能级附近的态密度，增强了材料的导电损耗能力。另一方面，FeN₂C₂单元中，中心Fe原子与配位的N、C原子间发生强烈、定向的电荷分离，诱导出高效的局域电偶极子。与仅有FeC₄配位的Fe‑GDY相比，FeN₂C₂带来了更显著的电荷转移和更强的极化弛豫。同时，独立存在的sp‑N位点也作为额外的极化中心，形成了“多极化位点协同”机制，这是Fe‑N‑GDY具备卓越微波衰减能力的根本原因。
图3. 差分电荷密度与态密度(DOS)计算，揭示不同单原子结构对电子性质和极化行为的影响。
III 性能领跑：轻质宽频强吸收
性能评估显示，Fe‑N‑GDY吸波剂性能卓越(图4)。在2.0 mm的匹配厚度下，其有效吸收带宽(EAB)高达5.98 GHz，覆盖12.02–18.00 GHz，相比纯GDY提升57%，同时最小反射损耗达到-51.2 dB。综合性能在与其他金属/碳基复合吸波剂的雷达图对比中优势显著，体现出宽带强吸收、薄厚度和轻重量的全面平衡。
图4. Fe‑N‑GDY的微波吸收机制及多指标对比雷达图。
IV 广泛兼容：VIII元素的普适性优势
将单原子策略拓展至全3d过渡金属系列(Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn)，发现与GDY基底兼容性最优的是VIII元素(Fe, Co, Ni)。这类金属拥有未完全充满的d轨道，更易与基底发生适度耦合，在强极化损耗与适度导电损耗间取得平衡，从而协同优化阻抗匹配。雷达散射截面(RCS)仿真进一步证实，所制备的系列材料在实际场景中均展现出卓越的雷达波衰减潜力。
图5. 不同3d金属单原子M‑N‑GDY的吸波性能及RCS仿真结果。
V 总结
本研究提出了一条通过精准构筑单原子配位环境，大幅提升石墨炔微波吸收性能的新思路，并成功阐释了“单原子结构-电磁特性”间的构效关系。
协同配位：利用GDY本征的sp‑C与掺杂的sp‑N杂化原子，共同锚定金属单原子，形成的FeN₂C₂结构可作为高效极化中心，结合sp‑N位点，实现“多极化位点协同”增强。
双重优化：N掺杂有效提升材料导电性与载流子浓度，增强了传导损耗；而FeN₂C₂与sp‑N中心则大幅增强了界面极化与偶极极化，同时优化了阻抗匹配。
普适筛选：明确了VIII元素因其独特的电子结构，在与GDY复合实现高性能吸波方面具有普适性优势。
这种简洁而精妙的原子级调控策略，为新一代轻质高效电磁防护材料的设计提供了至关重要的理论依据与技术方案。
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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