Small: 限域电磁平衡构建MOF衍生宽频、轻质、高效微波吸收剂

1、研究背景:

随着无线通讯器件和射频终端设备的快速发展和大量使用,面对电磁环境保护、人体防辐射和军事隐身需求,高效微波吸收材料得到了越来越多的关注。在过去的几十年里,大量的科研工作者致力于开发易制备、价格低廉、强吸收和宽频响应的微波吸收功能材料[1-4]。介电损耗型微波吸收材料具有低密度,可调的电导率,高的机械稳定性等优点。磁损耗型吸收材料因其特有的磁响应能力而提供磁衰减行为。因此,多种损耗机制协同作用的电磁复合材料成为了研究热点。 复旦大学车仁超团队二十多年来致力于高性能微波吸收材料在微观结构、界面属性和电磁协同机制等方面的研究。课题组近期制备了一系列金属有机框架(Metal-Organic Framework, MOF)衍生的新型磁电协同微波吸收剂(Small. 2020, 16, 2000158,热点文章Adv. Funct. Mater. 2021, 2102812; Nano-Micro Letters. 2020,12, 150;Chem. Eng. J. 2020,383,123099,热点文章;Small. 2021,doi: 10.1002/smll.202101416)。同时,自主研发电镜,构建“洛伦兹电镜”测试平台,解决仪器测试“卡脖子”问题;并利用离轴电子全息技术提供材料界面处的电荷密度分布和可视化的磁力线分布图,为微波吸收机制研究提供新的证据。

2、文章概述:

近期,复旦大学车仁超课题组调控双金属MOF衍生物的组分构成和电磁平衡,制备出宽频、轻质和高效的Co@NC-ZnO微波吸收剂。利用金属主体和有机配体的配位多样性,通过调整双金属主体的添加比来设计Co-Zn-MOF前驱物不同的空间结构。在保护气氛下热解得到电磁平衡的Co@C-ZnO磁性粉末,其形貌包括块状、截角块体、十二面体和微球。由于金属有机骨架的空间占位和周期性结构,热解处理的Co@C-ZnO复合物中磁性单质钴和半导体氧化锌纳米颗粒高度分散在氮掺杂石墨化碳骨架中。对称的形貌结构、均匀的物质分布、和多异质界面有利于调控吸收剂的电磁平衡和提高满足阻抗匹配特性,内在多损耗协同机制实现对电磁参数和微波吸收能力的有效调控。

3、图文导读:

图 1 MOF衍生Co@NC-ZnO复合物的微观形貌
图 2 MOF衍生Co@NC-ZnO复合物的微波吸收性能
图 3 MOF衍生Co@NC-ZnO-2复合物的磁力线分布示意图
图 4 复合物Co@NC-ZnO-2的微波吸收示意图

4、结论:

利用双金属MOF模板和氮气保护热解成功地制备了MOF衍生电磁平衡的Co@NC-ZnO的磁-介电复合材料。制备的MOF衍生物展现优异的微波吸收能力,其中Co@NC-ZnO-2吸收剂表现出最强的反射损耗值-69.6 dB和覆盖6.8 GHz的有效吸收频宽。得益于对称的形貌和均一的物质分布,可以有效地调节Co@NC-ZnO吸收剂的电磁平衡。由于单分散的ZnO和Co纳米颗粒均匀地镶嵌在石墨碳基体中,在磁-介电Co@NC-ZnO复合材料中存在大量异质界面,有利于提高介电损耗能力。氮掺杂石墨化碳层的掺杂效应和传导损耗进一步促进了微波能量吸收。同时,独特的磁耦合行为不仅扩展了磁响应区域,而且还增强了颗粒间的磁极化耗散。在由ZnO/Co纳米颗粒和石墨碳骨架构成的微米级Co@NC-ZnO复合材料中,磁耦合网络和电子传导网络可以完美的兼容在一起,共同贡献出优异的微波吸收表现。因此,具备平衡的磁-介电特性的MOF衍生物为制造高效微波吸收材料提供了一种新的设计思路。

该项目研究获得国家自然科学基金(51725101, 11727807, 51672050, 61790581)、国家重点研发计划(2018YFA0209102)等项目的资助,谨此感谢。复旦大学车仁超教授为论文通讯作者。

原文链接:

Confined Magnetic-Dielectric Balance Boosted Electromagnetic Wave Absorption

Lei Wang, Mengqiu Huang, Xiang Qian, Lili Liu, Wenbin You, Jie Zhang, Min Wang, Renchao Che*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100970

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202100970