青岛大学吴广磊: 多组分纳米颗粒协同一维纤维异质结构作为高效电磁波吸收剂

在过去的几十年里,大量的电子设备丰富了人们的生活。然而,大量的电磁辐射不仅污染环境,同时危害着人类的神经系统。探索高效的电磁波吸收材料是应对微波辐射、电子安全和军事防御等电磁波问题的有效手段之一。理想的电磁波吸收器应当使电磁波透过其内部并增强电磁微波能量的耗散。因此,研制和探索具有“强吸收、低反射、薄厚度”特点的电磁波吸收材料,成为了科研人员对付电磁辐射的重要手段。但是,复合材料结构设计及低成本投入仍是限制电磁波吸收材料发展的难点和重点。

Multicomponent nanoparticles synergistic one-dimensional nanofibers as heterostructure absorbers for tunable and efficient microwave absorptionChenxi Wang, Yue Liu, Zirui Jia, Wanru Zhao, Guanglei Wu*

Nano-Micro Letters (2023)15: 13

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00986-3

本文亮点

1. 通过静电纺丝将CoSnO₃金属颗粒包裹在纳米纤维内部,预氧化及高温热碳还原制备一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维

2. 大量项链状纤维束具有丰富的界面极化以及Co₃SnC₀.₇颗粒带来的磁损耗能够进一步提高材料的电磁吸波性能。

3. 高纵横比的Co₃SnC₀.₇/CNF一维复合材料具有高效的电磁吸收性能,在2.3 mm厚度下最小反射损耗可达-51.7 dB, 2.3 mm处的最大有效吸收带宽可达7.44 GHz

内容简介

青岛大学吴广磊教授课题组通过静电纺丝和碳热还原处理成功地制备了CoSnO₃/PANF衍生的一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维复合材料。由于出色的电导损耗、丰富的极化损耗以及增强的磁损耗能力,使Co₃SnC₀.₇/CNF复合材料展现出优异的电磁波吸收性能。最小反射损耗值(RLmin)在2.3 mm时达到了-51.7 dB,同时在2.5 mm时最大吸收带宽(EAB,RL≤-10 dB)达到7.44 GHz。

图文导读

I 制备过程及表征
本文利用湿化学法制备了CoSnO₃纳米颗粒,将其与聚丙烯腈(PAN)均匀分散在有机溶剂中,通过静电纺丝得到CoSnO₃/PAN纤维原丝。对纤维原丝须进行预氧化处理,使线状 PAN 结构经环化、脱氢作用转化为耐高温的梯度结构,以便在后续处理中纤维保持原有结构。最后在氩气下进行不同温度煅烧,得到Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维复合材料。高温环境下的原子热运动会导致C原子剥落,从而产生空位或被N原子取代。制备过程如图1所示。
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图1. 一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维的制备流程图。

从图2(a)中可以观察到CoSnO₃/PANF纳米纤维尺寸在300-500 nm之间,金属粒子被均匀包裹在纤维内部。高温碳化后纤维表面趋于光滑,有部分裂纹。这是由于非碳原子在高温下逃逸和挥发,形成了纤维表面的裂纹或内部孔洞。Co₃SnC₀.₇/CNF复合纤维的内部的立方颗粒仍保持原始形貌,通过对样品进行元素映射分析,证实了各元素均匀的分布在复合材料中(图2f)。
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图2. 一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维系列材料的SEM图: a) CoSnO₃/PANF,b) CoSnO₃/PANF预氧化,c) Co₃SnC₀.₇/CNF-700,d) Co₃SnC₀.₇/CNF-900,e) Co₃SnC₀.₇/CNF-800,f) Co₃SnC₀.₇/CNF-800的元素映射。

从XPS图谱(图3)中,可以观察到存在C 1s,Sn 3d,  Co2p, O 1s,和N1s元素的特征峰。其中,C 1s高分辨谱图由位于284.7 eV (C−C)、285.4 eV(C−N)和287.2 eV(C−O)的三个特征峰组成。Co 2p1/2和Co 2p3/2相关的两个峰位于781.3和797.0 eV,结合能差为15.7 eV,经拟合后得到4个不同的特征峰,证实了样品中Co⁰和Co2⁺的存在。图3d中Sn 3d光谱位于486.7和495.2 eV的两个特征峰分别对应于Sn 3d5/2和Sn 3d3/2,结合能差为8.50 eV,结果揭示了Sn(IV)的价态。
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图3. Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维的XPS光谱:a) 全谱,b) C 1s,c) Co 2p,d) Sn 3d。

II 电磁波吸收性能

基于经典电磁波理论可对复合材料的相对复介电常数和复磁导率进行计算来得到Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维系列复合材料的反射损耗特性(图4)。其中CoSnO₃/PANF的最小反射损耗值为-17.8 dB,最大有效带宽也未达到预期,这源于样品本身较差的介电性能与磁性能。而经不同温度碳化后,一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维性能得到极大提升,800 ℃下Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维最小反射损耗值为-51.7 dB,对应厚度为2.3 mm,更在2.5 mm的匹配厚度下,有效吸收带宽达到了7.44 GHz,这是在多种损耗机制的相互搭配下,除了出色的电导损耗和极化损耗之外,自然共振损耗也十分出色。

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图4. 在2-18 GHz频率下的3维反射损耗图及2维带宽图:(a1,a2) CoSnO₃/PANF, (b1,b2) Co₃SnC₀.₇/CNF-700, (c1,c2) Co₃SnC₀.₇/CNF-800, (d1,d2) Co₃SnC₀.₇/CNF-900。

III 电磁波吸收机理

图5展示了Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维复合材料的电磁波吸收机制。纳米纤维结构可以防止CoSnO₃颗粒填料的团聚,纤维的内径扩大,延长了电磁波的反射路径。碳化后,纤维和颗粒形成的项链结构不仅产生大量的界面极化效应,而且起到了阻断电磁波传播的作用。纤维表面激发的电子通过导电网络纵向传导或跃迁到相邻纤维表面,由此产生的电导损耗可以将电磁能转化为热能来衰减电磁波,而Co₃SnC₀.₇提供的磁损耗可以进一步提高样品的吸收性能。综述所述,在介电/磁损耗的相互作用下,Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维复合材料展现出优异的吸波性能。
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图5. 一维异质结构Co₃SnC₀.₇/CNF纳米纤维的电磁波吸收机理示意图。

作者简介

7.jpg王晨曦
本文共同第一作者
青岛大学 硕士研究生
主要研究领域
纳米电磁波吸收剂的结构设计及性能优化。
主要研究成果
硕士研究生期间获得第七、八届山东省大学生科技创新大赛校级二、三等奖、研究生学业奖学金二等奖、校长奖学金等荣誉称号。并以第一作者身份在Nano-Micro Lett,J. Mater. Sci. Technol.,Part. B-eng.高水平期刊发表科研论文3篇,其中高被引论文2篇,总影响因子大于40,他引次数120余次。2022年9月进入郑州大学从事博士阶段的学习。
8.jpg刘越
本文共同第一作者
青岛大学 硕士研究生
主要研究领域
电磁波吸收材料的极化损耗设计及吸波性能优化。
主要研究成果
硕士研究生期间获得2022年研究生国家奖学金、研究生优秀学业奖学金一等奖等荣誉称号。并以第一作者身份在Adv. Funct. Mater., J. Mater. Sci. Technol., Nano Res., Mater. Today Phys.高水平期刊发表科研论文5篇,其中高被引论文2篇,热点论文1篇,累计影响因子75+,他引次数140余次。
9.png贾梓睿
本文通讯作者
青岛大学 副教授
主要研究领域
新型电磁屏蔽复合材料、高导热绝缘及电磁相关材料的设计及开发,着重于微观结构、异质界面以及多组分的协同作用对电磁材料行为的影响规律。
主要研究成果
青岛大学第四层次特聘教授。本科和硕士毕业于西安交通大学,指导教师成永红教授。2014-2017年在国家电网从事相关科研工作。于2017年9月进入西北工业大学化学与化工学院攻读博士学位,指导教师寇开昌教授。2021年5月加入青岛大学化学化工学院。以第一作者或通讯作者身份在Nano-Micro Lett., Chem. Eng. J,J. Mater. Sci. Technol.,Adv. Funct. Mater.,Compos. Part. B,Carbon等发表高水平科研论文30余篇,其中高被引ESI论文7篇,热点论文2篇,总影响因子大于260,他引次数3000余次,授权国家发明专利2项。
Email:jiaziruiqdu@163.com/jiazirui@qdu.edu.cn
个人主页:http://hxhg.qdu.edu.cn/info/1240/2233.htm
10.jpg吴广磊
本文通讯作者青岛大学 教授
主要研究领域
新型电介质微纳米器件的研发、电磁材料及储能材料,长期致力于电磁干扰及电磁污染问题治理的研究。近年来,课题组围绕吸波材料开展了包括生物质碳、MXene、MOF等新型材料的吸波性能优化工作。
主要研究成果
青岛大学材料科学与工程学院教授,山东省泰山学者青年专家,山东省优青,山东省高等学校青创人才引育计划团队“结构-功能高分子复合材料研究创新团队”负责人,“高效电磁吸波复合材料结构设计及省级人才团队建设”负责人,复合材料与工程国家一流专业建设点负责人,青岛大学第二层次特聘教授。作为项目负责人,已主持包含泰山学者青年专家项目、山东省高等学校青创人才引育计划团队项目、山东省省优秀基金项目、国家自然科学基金等纵向科研项目13项;主持工程电介质教育部国家重点实验室开放课题重点项目1项;主持产学研横向项目3项;参与国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金委面上项目和国防科工局横向项目等多项科研课题。至今在Nat. Commun, Adv Funct Mater, Nano-Micro Lett, Small,J. Mater. Chem. A., Chem. Eng. J., Compos. Part. B, Carbon, J. Mater. Sci. Technol.等发表高水平科研论文260余篇,其中以第一或通讯作者发表高水平科研论文180余篇,其中影响因子大于10的文章80余篇,高被引ESI论文30余篇,SCI他引共计13000余次,H指数72,i10指数187;授权国家发明专利5项;入选全球前2%顶尖科学家榜单及全球顶尖前10万科学家榜单;担任Int. J. Miner. Metall. Mater.杂志编委和SusMat首届青年编委。
Email:wuguanglei@qdu.edu.cn/wuguanglei@mail.xjtu.edu.cn
个人主页:http://clxy.qdu.edu.cn/info/1020/1239.htm
撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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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,2021JCR影响因子为 23.655,学科排名Q1区前5%,中科院期刊分区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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