复旦车仁超:轻质高效电磁波吸收剂-MOF衍生的可调控NiCo@C微球

MOF-Derived Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon with Tunable Nano-Microstructure as Lightweight and Highly Efficient Electromagnetic Wave Absorber

Lei Wang, Mengqiu Huang, Xuefeng Yu, Wenbin You, Jie Zhang, Xianhu Liu, Min Wang, Renchao Che*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:150
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00488-0
本文亮点

1MOF衍生的多孔Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon复合材料具备可控的微纳结构
2. 磁电协同的Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon微球展现轻质高效的电磁波吸收能力。
3. 基于电镜原位电磁场、洛伦兹成像、离轴电子全息技术阐明了微观磁耦合、磁增强、高频磁损耗机理
内容简介

随着5G技术、军事隐身技术以及民用物联网电磁兼容、抗电磁干扰技术的发展,电磁波吸波材料日益受到关注。功能材料的本征电磁特性和特殊的纳微结构对其电磁波能量转换产生重大影响。吸波材料与电磁波之间的作用机制仍是困扰领域发展的关键问题。近二十年来,复旦大学车仁超教授围绕磁电协同微波吸收材料展开了系统研究,制备一系列不同结构和维度的高性能吸波材料;同时在原位电磁场电镜方面做出了一系列突破性进展,深入利用原位电镜解决了吸波材料的微观机制问题。复旦大学车仁超团队通过溶剂热反应和碳热还原处理成功地合成了金属-有机骨架(MOF)衍生的多孔Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon复合材料。在热分解过程中,生成的磁性颗粒/团簇充当催化剂以促进有机配体的石墨化转变,最终形成特殊核-壳纳米结构单元。MOF衍生的Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon微球具有可调的纳微结构,并存在规律的形貌演变。磁电协同的Ni@C复合材料展现出优异的电磁波吸收能力,在添加量为25%时,其反射损耗值为-59.5 dB。离轴电子全息技术证实Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon微球的磁学特性,为电磁波吸收机理研究提供了新的思路。
图文导读

MOF衍生的Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon微球的纳微结构

如图1所示,MOF衍生的多孔Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon微球体现出演变的微球尺寸和微观结构。Ni@C微球的粒径为1.5 um,由核壳结构的纳米颗粒组装而成,并在微球表面附着纺锤状颗粒。随着Co含量的增加,制备的Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon复合物中纳米颗粒和微球的整体尺寸都在增大(图1)。

图1. MOF衍生Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon微球的SEM图片,(a1-a4) Ni@C,(b1-b4) Ni₀.₈Co₀.₂@C,(c1-c4) Ni₀.₅Co₀.₅@C,(d1-d4) Ni₀.₂Co₀.₈@C和(e1-e4) CoO@C复合物。

II MOF衍生的Ni1-xCox@Carbon微球的电磁波吸收性能

磁电复合的Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon材料体现了轻质和高效的电磁波吸收特性,MOF衍生多孔Ni@C吸收剂最大反射损耗值达到-59.5 dB。为进一步提升电磁参数较低的Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon材料的吸收效能和有效吸收频宽,可以通过增加吸收剂的添加量来增强微波吸收效能(图2)。
图2. 在添加量分别为25% 和40%时,(a, e) Ni@C,(b, f) Ni₀.₈Co₀.₂@C,(c, g) Ni₀.₅Co₀.₅@C和 (d, h) Ni₀.₂Co₀.₈@C的三维反射损耗图;Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon复合材料的(i-k) 反射损耗值和(l) 有效吸收频宽对比图。

III MOF衍生的Ni@C微球的磁特性和吸收机理分析

利用洛伦兹电镜和离轴电子全息技术,实现可视化地观察磁性Ni@C微球的本征磁特性和磁力线分布及作用范围。同时发现特殊的磁耦合效应有利于提升Ni@C微球的磁储存和磁损耗能力(图3)。

图3. MOF衍射Ni@C微球全息图(a, c, e)和对应的磁场线分布图(b,d, f)。

图4. (a)磁电协同Ni@C微球的微波吸收机理示意图,(b)多次反射,(c)传导损耗,(d)界面极化,(e, f)磁耦合和(g)磁共振损耗。

作为轻质高效的电磁波吸收剂,MOF衍生的Ni₁₋ₓCoₓ@Carbon微球具备良好的阻抗匹配特性和突出的衰减能力(图4)。磁电协同的Ni@C复合材料作为微波吸收复合材料,其介电损耗主要由两部分组成,一个是界面极化损耗,另一个是传导损耗。在MOF衍生的Ni@C复合材料中存在大量的异质结构界面。金属镍颗粒和石墨化碳组分构成了独特的接触界面区域。退火后的MOF衍生碳基体中存在大量的异质结结构,作为壳层的石墨化碳不仅包裹了Ni核,而且还与其他相邻的碳层相接触。高频微波作用下,驱动电荷逐渐聚集在形成的Ni-C和C-C界面的区域,累积的正电荷和负电荷分别位于界面的两侧,有利于增强的材料的界面极化和介电损耗能力。在碳热还原过程中,首先形成金属镍颗粒以提高电导率和介电常数虚部;同时,形成的镍颗粒或团簇起催化剂的作用,进一步促进了含碳有机配体的石墨化转化,共同提高了材料的电子迁移能力,有利于增强传导损耗。

磁性Ni@C复合材料可以提供优异的磁性能、特殊的磁耦合效应和增强的磁损耗性能。MOF衍生Ni@C复合材料具有最高的饱和磁化强度和最低的矫顽力值,有利于磁导率虚部和磁响应能力的提高。同时,强磁性Ni@C吸收剂可以从微球表面释放清晰的本体的磁场线和磁耦合现象(图3)。磁场线分布的区域远远超出了材料本身的体积范围,然而这在纯电介质微波吸收体系中是不可能发生的。磁碳Ni@C吸收剂不仅具有微球结构的内部磁损耗,而且扩大了磁响应范围,证明了其作为微波吸收材料的优越性。

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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