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博文

青岛大学吴广磊课题组:自组装构建轻质、疏水和自清洁的可调谐电磁波吸收器 精选

已有 4947 次阅读 2023-8-14 09:04 |系统分类:论文交流

研究背景

随着科学技术的蓬勃发展,出现了各种各样的电气和电子设备,特别是在千兆赫电磁频率下运行的第五代(5G)移动技术的蓬勃开发,深刻影响了我们的生活方式。同时,电磁波危害相关问题的出现对健康和国防安全产生了许多不利影响,这些问题也亟待解决。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。但是如何解决以粉末形式存在和设计有序3D结构防止纳米颗粒聚集,拓宽其在实际当中的应用成为一个重点问题。

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Construction of Self‑Assembly Based Tunable Absorber: Lightweight, Hydrophobic and Self‑Cleaning Properties
Zehua Zhou, Qianqian Zhu, Yue Liu, Yan Zhang, Zirui Jia*, Guanglei Wu*
Nano-Micro Letters (2023)15: 137

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01108-3


本文亮点

1. 以NiCo-MOF为原料,通过热解碳化自组装制备了NiCo/C气凝胶。
2. 通过调节金属离子/BTC的比例,研究了MOF气凝胶的组装机理
3. 气凝胶结合了疏水、轻质、自清洁和电磁波吸收特性



内容简介

尽管多功能气凝胶有望用于便携式电子设备等应用,但在保持其固有微观结构的同时赋予气凝胶多功能性仍然是一个巨大的挑战。青岛大学吴广磊教授课题组提出了一种通过水诱导NiCo-MOF自组装制备具有优异电磁波吸收性能、超疏水性和自清洁性的多功能NiCo/C气凝胶的简单方法。三维结构的阻抗匹配和NiCo/C提供的界面极化以及缺陷诱导的偶极极化是宽带吸收的主要贡献者。因此,所制备的NiCo/C气凝胶在1.9 mm处具有6.22 GHz的宽带宽度。由于疏水官能团的存在,NiCo/C气凝胶提高了在潮湿环境中的稳定性,并获得了大于140°的接触角。



图文导读

水诱导自组装NiCo/C气凝胶的制备过程及表征

NCCA-1的制备过程如图1(a)所示。采用简单的油浴法合成了NiCo-MOF,然后将其在水的环境中超声处理几分钟,将烧杯倒置,水凝胶可以稳定地粘附在烧杯壁上而不会脱落,表明凝胶化成功(图1b)。然后,通过冷冻干燥和煅烧合成了NiCo/C气凝胶。图1c证明了气凝胶的成功合成。NCCA-1的ID/IG值最低,这有利于增加材料的电导率,产生更多的传导损耗(图1d)。图1e中TGA表明水凝胶在空气中受热分解最终生成单质金属和合金。



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图1. (a)NCCA-1的制备过程的示意图;(b)NiCo/C水凝胶自组装过程;NCA-2、CCA-2、NCCA-1的(c)XRD图谱;(d)拉曼光谱;(e)冷冻干燥后Ni-MOF水凝胶、Co-MOF水凝胶和NiCo-MOF凝胶的TGA。

图2(a)表明NiCo-MOF是由厚度为25-35 μm的层状结构组成的块状结构。图2(b-e)表明NCCA-1的形貌为表面光滑、分散相均匀的纳米纤维且直径为0.48-0.84 μm。图2f-h的HR-TEM和SAED图像能够进一步分析NCC-1的相位信息,结果与上述一致。在XPS图谱中,C 1s光谱可分为三个峰(图2i),分别位于284.2 eV、285.4 eV、286.3 eV,对应于C-C、C-O、C=O;O 1s光谱可以观察到两个不同的峰(图2g),530.9 eV处对应于C-O,532.8 eV处表示存在氧空位;从Ni 2p XPS光谱看出Ni 2p1/2和Ni 2p3/2的特征峰位于870.6和853.2 eV附近(图2k);Co 2p XPS光谱中位于778.5和793.8 eV附近归属于Co 2p3/2和Co 2p1/2(图2l)。


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图2. (a)NiCo-MOF的SEM图像;(b, d)不同放大倍数下的NCCA-1的SEM图像;NCCA-1的(c)直径分布图、(e)TEM、(f, g)HR-TEM和(h) SAED图像;NCCA-1的(i)C 1s光谱、(g)O 1s光谱、(k)Ni 2p光谱和(l)Co 2p光谱。

II 水诱导自组装NiCo/C气凝胶的电磁波吸收性能

基于相对复介电常数和复磁导率计算可得NiCo/C气凝胶复合材料的反射损耗特性(图3)。相对于NCA-2和CCA-2的不理想性能,NCCA-1在2.2 mm时,RLmin达到了-60.67 dB,在1.9 mm的匹配厚度下,EABmax达到了为6.22 GHz,表明可以用作潜在的吸收剂。这是由于金属合金的协同影响和磁导率的优化,更容易产生更多的晶格畸变、空位和缺陷,形成极化中心,遇诱导更多的弛豫损失。图3d3,e3将本文的工作与已发表的与EMA气凝胶相关的工作进行了比较,突出了所制备气凝胶的独特优势。

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图3. (a)NCA-2、CCA-2、NCCA-1的RL值和的相应匹配厚度图;NCCA-1的(b)3D和(c)2D RL图。1.5-2.5 mm时NCA-2、CCA-2、NCCA-1的(d1)3D和(d2)2D RL图;(d3)先前工作与本工作之间的RL比较;1.5-3.0 mm处的NCA-2、CCA-2、NCC-1的(e1)3D和(e2)2D EAB图;(e3)先前工作与本工作之间的EAB比较。

为了验证冷冻干燥形成的3D纳米纤维结构的优势,比较了NCCA-1在冷冻干燥、鼓风干燥和真空干燥后的吸波性能。图4a-d可以看出无论在EAB、RLmin还是最佳匹配厚度方面冷冻干燥技术都具有绝对的优势。这是由于NCCA-2和NCCA-3的3D纤维网络结构的坍塌导致电磁波的衰减遇到阻碍。衰减常数(图4e)和和阻抗匹配(图4f)也可以进一步证明。


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图4. (a)NCCA-1、NCCA-2、NCCA-3的RL值和相应的匹配厚度;(b, c)NCCA-2、NCCA-3的2D RL图;(d)NCCA-1、NCCA-2、NCCA-3的EAB值和相应的匹配厚度;NCCA-1、NCCA-2、NCCA-3的(e)衰减常数和(f)阻抗匹配。

III 水诱导自组装NiCo/C气凝胶的超疏水和自清洁性能

图5(a)中将NCCA-1放置在开花的花蕊上,能够在不使花蕊变形的情况下稳定地停留在花的顶部,表明有低密度的特性。图5(d1-d3)显示出三个样品的最大水接触角分别为141.7°、142.6°和143.4°,其中NCCA-1的疏水性能最佳。FT-IR光谱表明样品在热解后不含亲水官能团,这是一种气凝胶疏水性能的直接原因之一。图5(b)测试了NCCA-1的自清洁过程。将NCCA-1放置在干净的载玻片上,表面覆盖蓝色染料污,再用稳定的水流冲洗。结果表明,水滴在气凝胶表面滑动,将蓝色染料冲洗到培养皿中,证明疏水性NCCA-1具有良好的自清洁功能。


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图5. (a)NCCA-1在一朵花上的照片;(b)NCCA-1的自清洁实验过程;(c)NCA-2、CCA-2、NCCA-1的FT-IR图谱;(d1)NCA-2、(d2)CCA-2、(d3)NCCA-1的水接触角。



作者简介

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周泽华

本文第一作者

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。


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贾梓睿

本文通讯作者

青岛大学 副教授
主要研究领域
主要从事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40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300,他引次数3000余次,授权国家发明专利2项。

Email:jiazirui@qdu.edu.cn


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吴广磊

本文通讯作者

青岛大学 教授
主要研究领域
核壳结构的高分子纳米复合材料在介电击穿及热管理领域中的应用;纳米材料在电磁屏蔽、吸波方向的应用以及纤维织物多功能应用。近年来,课题组围绕吸波材料开展了包括生物质碳、MXene、MOF等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,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。至今在Nat. Commun, Adv Funct Mater, J. Mater. Chem. A., Small, Carbon, J. Mater. Sci. Technol.等发表高水平科研论文280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SCI论文120余篇,杂志封面论文2篇,SCI他引共计17000余次,H指数79,i10指数209;以第一位次授权国家发明专利5项;主持国家级及省部级等科研项目15项;入选2022年爱思唯尔“中国高被引学者”;连续多年入选全球前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.杂志编委及学科编辑、SusMat首届青年编委、Nano Research青年编委和Nano-Micro Letters青年编委。

Email:wuguanglei@qdu.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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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,2022JCR影响因子为 26.6,学科排名Q1区前5%,中国科学院期刊分区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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