在技术进步与可持续性融合的时代，开发具有多功能集成的可再生材料的需求日益增加。在这一背景下，通过对纤维素纤维进行多尺度界面结构设计、微观结构优化以及磁性成分和导电聚合物的掺入实现了该复合材料的能量存储、多波段电磁干扰
(EMI)
屏蔽
功能，填补了生物质基材料的关键空白，为更可持续的未来做出贡献。
本文亮点
1
.
采用温和的
2,2,6,6-
四甲基哌啶
-1-
氧化物介导的改性体系（
TEMPO/NaClO/NaClO
2
(pH = 7)
）并引入纤维素纤维骨架的多孔结构来提高反应性并引入纤维素纤维骨架的多孔结构。
2
.
该复合材料在多波段表现出高效的电磁屏蔽干扰性能（
> 99.99
％）。
3
.
将储能、电磁干扰屏蔽和结构设计集成到生物质基材料中
.
在本项研究中，制备了一种具有增强电容和多波段
EMI
屏蔽性能的纤维素纤维基复合材料。构建的聚吡咯（
PPy
）
@Fe
3+
-TEMPO
纤维素纤维多功能复合材料（
PPy@
Fe
3+
/ T-CFS-MC
）在
5 mA cm
−2
电流密度下表现出约
12.44 F cm
−2
的高面积比电容和
3.99 mWh cm
−2
的高面积能量密度，在
50 mA cm
−2
电流密度下经过
10,000
次循环后仍具有
90.23%
的优异稳定性。此外，该材料通过多尺度界面结构设计
(CFS)
、微观结构优化
(TEMPO
氧化
)
以及磁性成分
(
Fe
3+
)
和导电聚合物
(PPy)
的加入，实现了出色的多波段电磁屏蔽性能。
L
、
S
、
C
和
X
波段的
EMI
值超过
100 dB
。本项工作所提出的研究策略为生物基材料在储能和
EMI
屏蔽等领域的应用铺平了道路，有助于实现更加可持续的未来。
1.
复合材料的
制备
本文通过
在酸性条件下使用
NaClO
2
将木材样品脱木素，得到具有三维的纤维素纤维骨架多孔结构（
CFS
）；再对
CFS
进行温和的
TEMPO
氧化，得到改性纤维素纤维（
T-CFS
），该改性纤维素纤维不仅具有较高的比表面积，而且具有多层连通的多孔结构，纤维表面有更多的活性位点；最后，在改性纤维结构上将吡咯单体与
Fe
3+
原位聚合，形成稳定的电荷转移层，构建聚吡咯
(PPy)@
Fe
3+
-TEMPO
纤维素纤维多功能复合材料
(PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC)
。材
料制备过程机理图以及多功能应用展示如图
1
所示。
图
1
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的
(
a
)
制备及机理图；
(
b
)
多功能应用展示
。
2.
表面
形貌
图
2a
详细描绘了样品在三维状态下的导电聚合网络机制。众所周知，纤维素纳米纤维（
CNF
）表面含有丰富的功能基团，将纤维素表面的羟基转化为羧基可以有效提高表面电荷密度，更有利于导电聚合物的原位生长。因此，设计了一种采用
TEMPO/NaClO/NaClO
2
（
pH=7
）的温和改性体系来氧化纤维素。将纤维素分子链上的羟基转化为羧基，为
CNF
提供了更多的活性位点，允许吡咯在铁离子的引发下与纤维素分子链聚合；使其在纤维素纳米纤维内形成
PPy
电荷转移层，从而降低了电阻损耗并增强了电荷传输，从而形成了一个全面的三维导电聚合物网络
。
图
2b
可以观察到去除木质素后
CFS
的颜色从浅黄色变为白色，而
T-CFS
与
CFS
相比没有明显变化，这是由于温和的氧化处理。值得注意的是，由于
PPy
的成功聚合，复合材料为深蓝色。通过图
2c
、
d
所示，脱木质素处理去除了纤维之间的复合细胞间层。
CNF
暴露出来，固有的纤维素纳米通道结构得以保留，表明纤维结构保持完整。细胞壁可及性的增强促进了纤维的化学改性。观察到
TEMPO
介导氧化后用液氮快速冷冻导致纤维原位纤维化和部分膨胀，同时保持微管阵列结构的完整性（图
2e
）。此外，纤维表面出现了排列整齐的孔洞。这些大孔是木材结构管胞上的凹坑，经过
TEMPO
氧化过程后，这些凹坑几乎完全打开。（图
2e
）。凹坑的打开导致比表面积增加，从而增强了纤维素纤维内部结构的可及性和暴露性。经过
TEMPO
介导的氧化后，纤维的活性位点和比表面积增加。因此，
PPy
很容易在纤维表面聚合，从而提供更高的活性物质负载。如图
2f
所示，纤维表面完全被厚的导电层覆盖，从而保证了样品优异的电化学性能。
图
2
（
a
）
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
三维导电聚合网络示意图；（
b
）
NW
、
CFS
、
T-CFS
、
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
样品图。（
c
）天然木材（
NW
），（
d
）
纤维素纤维骨架（
CFS
），（
e
）
TEMPO
氧化纤维素纤维骨架（
T-CFS
），（
f
）
TEMPO
氧化纤维素纤维多功能复合材料（
PPy@Fe3+/T-CFS-MC
）的
SEM
图像。
3.
结构表征
图
3
显示了
利用
BET
、
FT-IR
、
XRD、XPS
、
EDX
等测
试对各样品的比表面积、官能团、物相结构、化学
组成等进行系统表征。
通过以上分析结果表明
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
已成功构建，这为接下来复合材料的多功能性能的测定提供了支撑
。
图
3
（
a
）
NW
、
CFS
和
T-CFS
的
N
2
吸附
/
解吸等温线。（
b
）
NW
、
T-CFS
和
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
样品的
FTIR
光谱。（
c
）
NW
、
CFS
和
PPy@Fe3+/T-CFS-MC
样品的
XRD
图谱。（
d
）
NW
、
T-CFS
和
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的
XPS
测量光谱。（
e
）纤维改性工艺示意图。
（
f
–
h
）
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的
C 1s
、
O 1s
和
Fe 2p XPS
光谱。
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的（
i
）
SEM
图像 和（
j
）
C
、
O
和
Fe
元素的
EDX
图谱。
4.
PPy@Fe
3+
/T‑CFS‑MC
导电性和电磁屏蔽性能
图
4.
a
所示
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
在轻度
TEMPO
氧化后，表现出比
PPy@
Fe
3+
/CFS-MC
更高的电导率
(877.19 S m
⁻1
)
。与大多数已报道的以
X
波段为主要目标的
EMI
屏蔽材料不同，本研究评估了
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
在
L
、
S
、
C
和
X
波段（
1.13
–
12.4 GHz
）的电磁屏蔽性能，覆盖了日常生活中绝大多数消费电子设备发射的典型电磁波（
EMWs
）
;
并且从整体上评估了复合材料表面对入射
EMW
的反射（
）和吸收（
）以及复合材料内部对
EMW
s
的反射（
SE
R
）和吸收（
SE
A
）
。结果显示
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
在不同频率下表现出优异的表面屏蔽效果和屏蔽效率
(99.99%)
，
EMI SE
均大于
100 dB
。一旦
EMWs
穿透表面，
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
在较高频率下表现出更好的
EMI
屏蔽性能，
99.99%
的
EMWs
被复合材料内部消耗，主要通过内部吸收。
这种双重电磁屏蔽策略结合了表面反射屏蔽和内部吸收屏蔽，为设计和开发更高效的电磁屏蔽材料提供了新的思路和创新方向。
图
4.
（a）PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
的
EMI
屏蔽机理示意图。
(
b
)
NW, CFS, T-CFS,
PPy@
Fe
3+
/CFS-MC
和
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
样品的电导率.
(c-g)
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
样品的
SE
T
,
，SE
A
,
，
SE
R，
，和的值分别在
L, S, C, X
波段的对比。
(h
)
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
样品在
1.13
–
12.4 GHz
频率范围内的
SE
A
,
SE
R
和
SE
T
的值。
(i
)
PPy@
Fe
3+
/T-CFS-MC
样品在
1.13
–
12.4 GHz
频率范围内的
,
和
的值
.
5.
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的电化学
性能以及机
理分析
图
5
分别展示了
PPy@Fe
3+
/ CFS-MC
和
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的电化学储能性能；结果表明经过
TEMPO
氧化后
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
具有更加优异的电化学性能，在相同电流密度下，
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的面积比电容达到了
12.44 F cm
−2
，
比
PPy@Fe
3+
/ CFS-MC
提高了近
6
倍。这种出色的电化学性能归因于以下几个因素：（
1
）纤维素纤维独特的
3D
多孔结构使电解质能够完全渗透；（
2
）
TEMPO
氧化改性木纤维具有更高的比表面积和更多的活性位点，提高了
PPy
原位聚合过程中的活性物质负载；（
3
）
PPy
在纤维网络内形成稳定的电荷转移层，减少了无效电阻损失并促进了高效的电荷传输。
图
5.
PPy@Fe
3+
/CFS-MC
与
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
样品电化学性能对比：
PPy@Fe
3+
/CFS-MC
样品的（
a
）不同扫描速率下的
CV
曲线，（
b
）不同电流密度下的充放电曲线，和（
c
）
50 mA cm
-2
10000
次循环下的循环稳定性。
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
样品的（
d
）不同扫描速率下的
CV
曲线，和（
e
）不同电流密度下的充放电曲线，和（
f
）
50 mA cm
-2
10000
次循环下的循环稳定性。（
g
）循环后样品的
EIS
图。（
h
）不同电流密度下的面积电容，以及
PPy@Fe
3+
/CFS-MC
的面积能量
/
功率密度。（
i
）不同电流密度下的面积电容和
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的面积能量
/
功率密度。
6.
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
的多功能综合应用潜力
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
集
EMI
屏蔽与储能功能于一体。在实际应用中，电子设备往往跨多个频段工作，需要能够屏蔽广谱
EMI
的材料。这种多功能性使得该材料既可以作为多频段
EMI
屏蔽组件，又可以作为储能单元，在
5G
通信、可穿戴设备、电动汽车、智能交通、智能家居等领域具有很高的应用价值（图
6
）。这种多功能集成材料的开发，不仅有助于减轻设备重量、简化设计，也满足了现代技术对高效、轻量化、多功能材料的需求。
图
6
.
图
6
集成材料应用场景示意图。
本工作报道
了采用原位聚合法成功制备了一种多功能纤维素纤维复合材料
(
PPy@Fe
3+
/TCFS-MC
)。
PPy@F
e
3+
/T-CFS-MC
表现出优异的电化学性能、高电导率
(877.19 S m
−1
)
和出色的
多波段电磁屏蔽
性能。研究发现，大多数电磁波首先被直接反射，
L
、
S
、
C
和
X
波段的
EMI
值超过
100 dB
，能够有效屏蔽我们日常生活中的大多数电磁
波，大大满
足商用
EMI
屏蔽材料的要求。同时，得益于
T-CFS
的高表面积（
105.6 m
2
g
-1
）和丰富的活性位点，
PPy@Fe
3+
/T-CFS-MC
在
5 mA cm
-2
时表现出约
12.44 F
cm
-2
的高面积比电容，
3.99 mWh
cm
-2
的高面积能量密度对应于
2005 mW
cm
-2
的功率密度，在
50 mA
cm
-2
下经过
10,000
次循环后稳定性高达
90.23
％。这种采用绿色温和合成方法制备的多功能纤维素纤维基复合材料具有高电磁屏蔽性，高电容密度和优异的循环稳定性。它们可以极大地有利于更可持续的储能装置的开发。
原文链接：
Novel Cellulosic Fiber Composites with Integrated Multi-band Electromagnetic Interference Shielding and Energy Storage Functionalities
Xuewen Han, Cheng Hao, Yukang Peng,
Han Yu
, Tao Zhang,
Haonan Zhang, Kaiwen Chen Heyu Chen
, Zhenxing Wang, Ning Yan *
and Junwen Pu
*
Nano-Micro Lett.
(2025) 17:122
.
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01652-0
作者介绍
