荷叶遗态基吸波材料:花状&片状MoS₂修饰的分级多孔碳复合材料

Lotus Leaf-Derived Gradient Hierarchical Porous C/MoS₂ Morphology Genetic Composites with Wideband and Tunable Electromagnetic Absorption Performance 

Fei Pan, Zhicheng Liu, Baiwen Deng, Yanyan Dong, Xiaojie Zhu, Chuang Huang, Wei Lu*

Nano-Micro Letters (2021)13: 43

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00568-1 

本文亮点

1. 首次制备得到以荷叶为原料的C@MoS₂遗态复合材料,并具有强的反射损耗能力和宽的有效吸收频段

2. 荷叶遗态碳内部分级分布着有人工合成难以获得的孔洞结构,有助于电磁波在内部的散射和吸收

3. 由于荷叶正反两面结构的不同使得分布的MoS₂呈现花状和片状两种不同的形态。

内容简介

随着社会的进步和电子技术的高速发展,各式各样的电子设备和器件在成为我们生活中不可或缺的一部分的同时,所引发的电磁污染等问题也不容忽视。生物遗态材料由于具有精细的形貌,丰富的孔洞结构,大量的电子输运通道使得在电磁波吸收领域蕴含着巨大的潜力。为响应可持续战略,以自然界中生物为原料,开发和研究人工难以合成的遗态多孔吸波材料应用于当今社会有着重要的实现意义。同济大学陆伟教授团队首先采用水热法制备出分级多孔C@MoS₂ (LCMS)遗态复合材料。通过SEM观察得到遗态荷叶内部分级分布着三层形态各异的多孔层,包括大孔层、疏排小孔层以及密排小孔层。此外由于荷叶正反表面结构不同,MoS₂分别呈现花状和片状两种不同的形态分布在荷叶上。该材料展现了高的反射损耗、宽的有效频带宽度和低的匹配厚度等特征。

通过进一步研究分析,优异的吸波性能归因于适宜的电导损耗、增强的极化损耗以及改善的阻抗匹配能力。此外,文章提出了介电和商模型来辅助说明通过介电实部虚部调控从而获得有效吸波性能。为介电损耗型吸波材料的开发提供了新的思路。

图文导读

I LCMS的形貌表征

采用水热反应与高温碳化法,原位制备得到LCMS。拉曼分析中,600℃(LCMS-600),700℃(LCMS-700)和800℃(LCMS-800)图谱中ID/IG的值分别为0.87,0.99和1.03,代表了无序化程度提高,有助于偶极子极化的增强。从图1(a)的投射以及选取电子衍射的多晶衍射环分析看出花状MoS₂由无数纳米片组装形成,而纳米片则由MoS₂纳米球堆垛形成。从图1(b-e)看出荷叶正表面均匀分布了圆锥状的乳突,内部分级分布了对上方的多边形大孔层,中间的疏排小孔层,以及最下方导管状的密排小孔层。由于荷叶正反两面表面相貌的不同,花状MoS₂堆积分布在正面乳突上方,高密度的MoS₂纳米片状则均匀分布在反面。

图1. (a) PMS的SEM图;(b, c) PLC-700的SEM图;(d-e) LCMS-700的SEM图;(f) LCMS-700反面MoS₂的SEM图;(g-h) LCMS-700正面MoS₂的SEM图;(i) LCMS-700形成机理图。

II LCMS的吸波性能

材料的吸波性能如图2所示,结果可以看出,材料的吸波性能收到碳化温度和物相成分的共同影响。具体来说,PMS和LCMS-600在所有频段和厚度下反射损耗最低值均大于-10 dB,因此不具备吸波性能。PLC-700,LCMS-700,LCMS-800最低反射损耗分别为-27.2 dB(4.8 GHz,3.5 mm),-50.1 dB(13.2 GHz,2.4 mm),-44.2 dB(4.1GHz,3.1 mm)。相比其它样品,LCMS-700还展现出出色的有效频带宽度,分别在2.4 mm处达到5.8 GHz(10.5-16.3 GHz)和2.2 mm处达到6.0 GHz(11.5 GHz-17.5 GHz)。因此,兼具强反射损耗,宽有效频带和低匹配厚度的LCMS-700有着最为优异的吸波性能。同时,随着厚度的提高,LCMS-700最低反射损耗所在的频段向着低频移动,符合四分之一波长匹配模型。

图2. (a) PLC-700、(b) PMS、(c) LCMS-600、(d) LCMS-700和(e) LCMS-800的三维反射损耗图;(f) LCMS-700的二维反射损耗图。

III LCMS的吸波机理分析
图3(a-b)显示了样品的电磁参数,可以看出,在引入MoS₂后,明显降低了PLC-700过高的介电实部和虚部,这主要是由于相对于高温碳化的遗态生物碳,MoS₂有着相对较低的电导率,当MoS₂原位生长在遗态生物碳表面后,破坏了原来的电导网络,阻碍了载流子的输运,导致电导损耗降低,从而影响了介电性能。此外,随着碳化温度的升高,材料的介电实部虚部呈现上升趋势。结合Raman结果,这主要是由于极化损耗增强导致,图3(c)中的Cole-Cole圆也揭示了极化弛豫的存在。除了电磁参数,衰减系数和阻抗匹配是决定吸波性能最重要的两个参量,从图3(d-i)可以发现,随着MoS₂的引入,材料的阻抗匹配得到了明显的提高,更多的电磁波可以进入材料内部而不是在表面被反射。过高和过低的介电实部虚部都不利于材料的阻抗匹配。相比其它样品,LCMS-700在最佳阻抗匹配区域有着最高的衰减系数,因此也具有着综合性最佳的吸波性能。此外,还提出了介电和商模型,从模型可以看出,将介电的实部虚部之和控制在10-15之间,商控制在4-3之间,有利于吸波材料在高频得到有效的吸波性能。

图3. (a) 样品的介电实部;(b) 样品的介电虚部;(c) LCMS-700的Cole-Cole圆;(d) 样品的衰减系数;(e) PLC-700、(f) PMS、(g) LCMS-600、(h) LCMS-700和(i) LCMS-800的阻抗匹配图。

图4揭示了LCMS-700的吸波机理,总的来说,高温碳化的生物遗态碳为材料提供了所必须的电子输运能力,通过电导损耗将入射的电磁波能量转化为热能而衰减。其次,由于生物遗态碳保留下来了荷叶本身内部分级多孔的形态,多孔的结构有助于电磁波在材料内部的衰减和散射。此外,MoS₂的引入一方面在和生物遗态碳接触的异质界面处由于电负性的不同形成了电荷堆积,产生类似电容器的结构,在高频电磁场下引发了界面极化,增强了介电损耗。另一方面优化了材料的阻抗匹配,拓宽了材料的频带宽度和反射损耗能力。最后,材料表面随着温度变化增加的缺陷和本身的官能团带来的偶极子极化同样也促进了电磁波的吸收。在这些机制的协同作用下,LCMS-700显示出作为性能优异吸波材料的潜力。
图4. LCMS-700的吸波机理。
作者简介

陆伟

本文通讯作者

同济大学 教授

主要研究领域

纳米磁性材料、电磁功能材料与器件。近年来,课题组围绕吸波材料、电磁屏蔽材料开展了包括MXene、MOF、生物质碳等新型材料的吸波屏蔽性能优化以及功能化的工作。

主要研究成果

在Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engieering Journal、Carbon和Journal of Materials Chemistry C等国内外知名学术期刊发表论文110多篇,ESI高被引论文5篇,授权发明专利30多项。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等国家级项目13项。获得上海市优秀技术带头人和青年科技启明星称号。排名第一获得2020年上海市科技进步一等奖和2017年上海市科技进步二等奖各1项。

Email: weilu@tongji.edu.cn

潘飞

本文第一作者

同济大学  博士研究生

主要研究领域

电磁波吸收和屏蔽用生物质基复合材料的开发和多功能化研究。

主要研究成果

在Nano-Micro Letter和Carbon以第一作者发表论文4篇,其中高被引和热点论文一篇。
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》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、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2020 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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