Small: MOF 衍生单原子掺杂碳层构筑超宽频微波吸收剂 】

1、研究背景:

随着5G技术的飞速发展,我们面临着日益严重的电磁污染和千兆赫频段的传输信号干扰,迫切需要制备性能优良的微波吸收材料。到目前为止,人们一直致力于设计功能性的微波吸收复合材料,如碳基材料、氧化物陶瓷、磁性材料及其复合材料。探索高效的电磁波吸收材料通常需要轻质、强吸收的材料,热稳定性高,吸收频带宽。在电磁协同策略的要求下,介质损耗亟待优化以扩大响应频率。然而,材料介电性能的调控面临着巨大的挑战,尤其是在原子水平上。

2、文章概述:

复旦大学车仁超课题组建立了一种单原子掺杂策略来调节金属有机骨架(MOF)衍生碳壳层的局域电势。经过简单的退火处理,转化的单原子Zn和N均匀锚定在碳基体中,形成堆积杂原子掺杂的荚状介电壳层。基于磁性Fe3O4核的FZNC复合材料在反射损耗能力和宽频响应特性方面均表现出优异的微波吸收性能。为了获得最大极化,可以通过重复ZIF-8生长周期来调控Fe3O4@Zn-N-C复合材料的复介电常数。Fe3O4@Zn-N-C复合材料具有良好的吸收性能,厚度2.5 mm时最大反射损耗在为−61.9 dB, 有效吸收频宽可达15.2 GHz。在Fe3O4核上紧密负载掺杂锌单原子的介电碳壳,构建特殊的能量吸收系统。不同电负性的单一Zn原子和N原子掺杂后,高密度极化可以实现强耗散。磁性Fe3O4核由于磁耦合而增强了磁损耗。同时,利用电子全息技术研究磁性微球的磁力线分布,为可视化的磁耦合机制、耦合增强磁损耗机制提供可视化的实验与理论证据,进而建立材料微结构设计策略。

3、图文导读:

图1 MOF衍生Fe3O4@Zn-N-C复合物的微观形貌和电子全息重构图
图2 MOF衍生Fe3O4@Zn-N-C复合材料的微波吸收反射损耗图
图3 MOF衍生Fe3O4@Zn-N-C复合材料的微波吸收机制图
图4 MOF衍生Fe3O4@Zn-N-C复合材料的磁力线分布图

4、结论:

结合单原子掺杂和介质壳层调制策略,Fe3O4@Zn-N-C碳微球实现了磁电协同效应表现出高性能的微波吸收能力。核-壳FZNC-1复合材料的最佳反射损耗值在8.7GHz时可达到-61.9dB,在2.5mm厚度时也可达到11.5GHz。通过控制ZIF衍生碳壳的荚状结构,可以有效地改变其电磁参数和介电损耗特性。介电损耗的最大化来源于丰富的界面极化和单原子掺杂效应。增强的磁响应尺度和损耗能力有助于这些磁性Fe3O4核之间的强制耦合效应。同时,磁损耗与介质损耗的完美兼容和配合,使其具有很强的微波吸收容量和超宽的有效带宽。利用离轴电子全息技术验证了磁性微球接触界面的电荷密度分布和磁性微球间的磁耦合现象,对吸收机理有了更深入的认识。因此,单原子共振为理解宏观介电行为与原子尺度结构之间的关系开辟新的途径,为今后的微波吸收材料设计提供参考。

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)、上海市青年科技英才扬帆计划等项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Single Zinc Atoms Anchored on MOF-Derived N-Doped Carbon Shell Cooperated with Magnetic Core as an Ultra-Wideband Microwave Absorber

Mengqiu Huang, Lei Wang, Wenbin You, Renchao Che*

Small

DOI:10.1002/smll.202101416

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101416