超高密度Co-Fe电磁耦合:增强海绵状碳材料的吸波特性

随着电子信息技术的快速发展,大量依靠电磁波(EWs)作为信息载体的大功率、高速的电子元器件和设备得到了广泛的应用。尽管这些设备极大的促进了我们的科技及生活,但是它们也为我们的生活及工作环境带来了严重的辐射。因此,开发高性能的电磁吸收和屏蔽材料作为研究热点,在民用和军事领域展示出了良好的应用前景。近年来,不同种类的电磁波吸收材料(EWAMs)被研究人员开发出来,其中具有磁性金属粒子的碳载体复合材料因其卓越的性能而备受关注。在这类材料的设计开发中,需要增强电磁波损耗、降低材料密度,以获得高性能、超轻的协同性能。为此,在复合材料中引入多种金属(例如,Co/Fe、Co/Ni等)替代单一金属,可以有效地增强金属间的电磁耦合。另一方面,增加材料的比表面积、降低金属粒子的粒径、提高分散性等,可以有效增强金属原子的利用率、降低金属负载量。
Ultrahigh Density of Atomic CoFe‑Electron Synergy in Noncontinuous Carbon Matrix for Highly Efficient Magnetic Wave Adsorption

Wenhuan Huang *, Qiang Qiu, Xiufang Yang, Shouwei Zuo, Jianan Bai, Huabin Zhang *, Ke Pei, Renchao Che*

Nano-Micro Letters (2022)14: 96

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00830-8

本文亮点

1. 含能晶态前驱体的结构设计,原位合成一种非典型连续多孔结构的海绵状碳材料,含有1nm ~15 μm 连续孔分布的多级结构。

2. 高密度金属CoFe原子的嵌入,诱导产生高度分散的纳米极化界面(+/-)及电荷分布,在材料内部形成纳米域可变电容
3. 同步辐射表征基底上Co/Fe的存在形式及M-M’相互作用,超高密度的Co-Fe电磁耦合增强了电磁波的吸收。
4. 材料具有超低密度、超低金属含量的特点,获得了极强的电磁波吸收参数SRL为−192 dB mg⁻¹ mm⁻¹。
内容简介

开发高性能、低密度的电磁波吸收材料至关重要,陕西科技大学黄文欢课题组采用含能的三氮唑(N-N=N键)作为有机配体,设计合成了超低CoFe金属含量的晶态金属有机框架前驱体(CoFe@MET)。在热处理过程中,由于含能键的存在,CoFe @MET前驱体在~440 ℃发生了类爆炸过程,有机体的快速分解产生大量的气体,诱导了非典型三维多级孔海绵状结构的形成,超低含量的Co/Fe金属在快速体积膨胀的过程中被高度分散的嵌入碳载体。通过这一简便的反应方法,成功原位组装了一例原子级CoFe超高密度嵌入的海绵碳(CoFe@PCS)。作为电磁波吸收材料,展现了良好的电磁波吸收性能,在12.08 GHz 处,RL为−57.7 dB、SRL 为 −192 dB mg⁻¹ mm⁻¹(负载量15 wt%,厚度2 mm)。更重要的是,该材料提供了一个良好的载体,可以用于研究Co-Fe原子相互作用在电磁波损耗及吸收中的机理。这项工作展示了一种优异的从原子尺度设计材料结构的范例。

图文导读

含能晶态前驱体的结构设计,原位合成海绵状多孔结构

选择具有含能三氮唑作为前驱体,通过简单的常温合成、超低的Co、Fe金属负载量合理设计晶态前驱体的化学结构。通过一步法高温热解,原位制备了原子级CoFe超高密度嵌入的海绵碳(CoFe@PCS),结构中孔的分布具有多级性和连续分布的特点,通过SEM和TEM可以观察到在10 nm~15 μm范围内连续分布的孔结构,CoFe金属的负载量仅为~0.66 wt%。

图1. 本文CoFe@PCS材料中的孔结构表征。

II 高密度金属原子嵌入,高度分散的极化界面及电荷分布

多孔海绵结构的超高多孔结构、超大比表面积,提供了良好的载体,获得超高密度的原子级CoFe嵌入结构。在多孔结构表面大量的化学偶极,导致了多孔结构中大量的极化界面。通过电子全息,观测到了高密度的异质极化界面及(+/-)电荷分布。由于纳米孔结构及表面极化的作用,材料内部形成大量分布的纳米域可变电容。
图2. 电子全息(电荷密度分布)、电磁波吸收RL、有效吸收宽度(EAB)性能。

材料中大量的异质界面,提供了高密度的偶极极化和界面极化,从而极大增强了材料的介电损耗。此外,Co-Fe的耦合增强了材料的磁损耗性能。多级孔海绵结构的基底增强了电磁波的多重反射及阻抗匹配,使得CoFe@PCS显示出了卓越的电磁波吸收性能。

图3. 介电损耗、磁损耗、阻抗匹配的表征分析。

III 同步辐射表征基底上Co/Fe的存在形式及M-M’相互作用

通过EXAFS及XANES表征了CoFe@PCS材料中原子级的CoFe分布,以及由Fe原子到Co原子的电荷转移及价态改变。结合电磁波吸收性能及损耗机理的表征分析,首次证明了原子级双金属M-M’的相互作用在啊电磁波吸收中的重要作用,为未来从原子尺度设计EWAM提供了重要借鉴。

图4. 在CoFe@PCS中M-M’的电磁波损耗贡献及EXAFS和XANES表征。

图5. 本文CoFe@PCS的电磁波吸收机理示意图。

作者简介

邱强

本文第一作者

陕西科技大学 硕士研究生

主要研究领域

电池电磁波吸收材料的设计合成。

个人简介

邱强,2019年至今就读于陕西科技大学,在黄文欢课题组攻读硕士学位。目前已发表了SCI论文一篇(Nano Micro-Letters),申请专利1项。

黄文欢

本文通讯作者

陕西科技大学 副教授

主要研究领域
金属有机框架及功能团簇化合物的设计合成及其在光/电催化、吸波、能源存储及转换方面的应用等。

个人简介

陕西科技大学化学与化工学院,院长助理,副教授。2005.9-2014.7年就读于西北大学并获得博士学位(导师:王尧宇教授),2016.3-2017.3年在美国亚利桑那大学进行访问研究(合作导师:郑智平教授),2017.11-2020.4年在中国科学院福建物质结构研究所进行博士后研究(合作导师:张健研究员)。任《Rare Metals》、《稀有金属》两刊编委,《Tungsten》杂志的青年编委。近年来主持国家项目1项、省部级各类项目6项,获得陕西省高校科学技术奖一等奖1项,陕西省高校科协青年人才托举计划项目。在Nano-Micro Letters、Journal of Materials Chemistry A、Energy & Environmental Materials、Chemical Engineering Journal、Materials Chemistry Frontiers、Chemical Communications、Carbon、Journal of Power Sources、Nanoscale、Chemistry-A European Journal、Inorganic Chemistry、Crystal Growth & Design等国际期刊上发表SCI论文40余篇,综述3篇。其中第一/通讯作者论文36篇,受邀撰写综述3篇,高被引论文5篇,热点论文2篇。授权国家发明专利3项。组织本科生学生参加“挑战杯”课外学术科技竞赛获得省级奖项3项,省级创新基金1项,校级奖项2项;培养研究生获得“优秀毕业生”、“优秀硕士毕业论文”、“国家奖学金”、“研究生高水平科研成果奖励”等。

Email:huangwenhuan@sust.edu.cn

 

关于我们

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, 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,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,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。
Web: https://springer.com/40820
E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果对你有帮助,请分享给别人!:纳微科技 » 超高密度Co-Fe电磁耦合:增强海绵状碳材料的吸波特性

赞 (0)