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青岛大学吴广磊:简单工艺构建具有优异微波吸收性能的一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒

已有 682 次阅读 2021-10-12 08:34 |系统分类:论文交流

The Construction of 1D Heterostructure NiCo@C/ZnO Nanorod with Enhanced Microwave Absorption

Jianwei Wang, Zirui Jia, Xuehua Liu, Jinlei Dou, Binghui Xu, Bingbing Wang, Guanglei Wu*

Nano-Micro Letters (2021)13: 175

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00704-5

本文亮点
1. 通过简单的溶剂热反应和高温热碳还原制备了NiCo-LDHs衍生的一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒

2. 大量层状结构具有丰富的界面极化以及NiCo合金带来的磁损耗能够进一步提高材料的电磁吸波性能。

3. 多组分构造的NiCo@C/ZnO具有高效的电磁吸收性能,在1.9 mm厚度下最小反射损耗可达-60.97 dB,有效吸收带宽可达6.08 GHz。

内容简介
在应用电子技术给人类带来便利及更高的生产效率的同时,与之相伴的电磁辐射正在成为新的污染源。无论是在军用还是民用领域,电磁防护的迫切性也显得尤为重要。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,简单地合成工艺及低成本仍是限制电磁波吸收材料发展的难点和重点。青岛大学吴广磊课题组通过溶剂热反应和碳热还原处理成功地制备了NiCo-LDHs衍生的一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒复合材料。由于出色的电导损耗、丰富的极化损耗以及增强的磁损耗能力,使NiCo@C/ZnO复合材料展现出优异的电磁波吸收性能。最小反射损耗值(RLmin)在2.3 mm时达到了-60.97 dB,同时在2.0 mm时最大吸收带宽(EAB, RL≤-10 dB)达到6.08 GHz。
图文导读
I 一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒的制备过程及表征
在碱性条件下制备了六边形截面的棒状ZnO材料,以此为模板,使NiCo-LDHs在上面实现自组装生长,得到NiCo-LDHs@ZnO复合材料。最后将其在不同气氛下进行高温煅烧,其在氩气环境下衍生得到无定形碳在高温环境下会还原NiCo双金属氧化物从而得到NiCo合金,从而导致纳米片层的厚度变薄、数量变少。制备过程如图1所示。

图1. 一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒的制备流程图。

从图2(a)中可以观察到ZnO纳米棒的尺寸约为500 nm,且尺寸均匀,从衍射图中可以观察到排列有序的斑点,这证明制备的是单晶ZnO。在NiCo-LDHs@ZnO复合材料的TEM图中可以观察到明显的片状结构均匀的包覆在棒状ZnO上,且层状结构的晶格间距为0.262 nm,对应于NiCo-LDHs的(012)晶面。经过高温煅烧后,得到的NiCo@C/ZnO纳米棒形貌发生了较大变化图2(c)。层状结构出现明显的纳米颗粒,且片层的数量明显减少,从高分辨TEM图中可以看到晶格间距为0.204 nm,这对应着NiCo合金的(111)晶面。

图2. 一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒系列材料的HRTEM图:(a, a-1, a-2) ZnO,(b, b-1, b-2) NiCo-LDHs@ZnO,(c, c-1, c-2) NiCo@C/ZnO。

从XPS图谱(图3)中,可以观察到存在C 1s,Zn 2p,O 1s,Co2p和Ni 2p元素的特征峰。其中,C 1s高分辨谱图在284.6、286.5和288.5 eV处的特征峰,对应C-C/C=C、C-O和C-C=O键(图3b)。在O 1s高分辨光谱(图3d)中可以观察到531.5、530.6和529.0 eV处的三个特征峰,分别对应样品表面吸附的水或O、氧空位和金属-O (Ni-O/Co-O)键。Co 2p可以被拟合为6个明显的特征峰(图3e),其中779.2和795.4 eV位置的特征峰归于金属Co,780.6和796.3 eV的特征峰与Co-O键相匹配,最后在788.3和803.4 eV处的特征峰匹配给卫星峰。在Ni 2p高分辨率XPS谱(图3f)中,878.9和860.8 eV处是卫星峰,870.1和855.2 eV处的峰属于Ni-O键。Co-O和Ni-O键中的O可能来源于NiCo合金暴露在空气中的表面氧化。在871.5和853.6 eV处的特征峰与NiCo合金中的金属Ni相匹配。

图3. NiCo@C/ZnO复合材料的XPS光谱:a) 全谱,b) C 1s,c) Zn 2p,d) O 1s,e) Co 2p,f) Ni 2p。

II 一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒系列材料的电磁波吸收性能

基于相对复介电常数和复磁导率计算可得NiCo@C/ZnO纳米棒系列复合材料的反射损耗特性(图4)。其中ZnO纳米棒的最小反射损耗值虽然达到了-49.01 dB,但是厚度与有效带宽不能令人满意,这是因为ZnO材料虽然出色介电性能,但是却缺乏足够好磁损耗进行相互作用。而一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒的最小反射损耗值为-60.97 dB,对应厚度为2.4 mm,更在2.0 mm的匹配厚度下,有效吸收带宽达到了6.08 GHz,这是在多种损耗机制的相互搭配下,除了出色的电导损耗和极化损耗之外,涡流损耗和共振损耗也十分出色。

图4. 在2-18 GHz频率下的3维反射损耗图:(a) S-1,(b) S-2,(c) S-3,(d) S-4,(e) S-5和(f) S-6。

III 一维异质结构NiCo@C/ZnO纳米棒复合材料的电磁波吸收机理

图5展示了NiCo@C/ZnO纳米棒复合材料的电磁波吸收机制。由于复合材料的比表面积大,形成导电网络,这有利于在外磁场作用下感应电流传输,使内部电子发生定向迁移,在传导损耗下将电磁能转化为热能,这也是高ɛ”的重要缘故。其次,由于NiCo合金和棒状ZnO之间的层状介质不同,电子会在接触界面上不均匀聚积,导致界面极化,这是NiCo@C/ZnO复合材料具有优异介电损耗的重要原因。第三,NiCo@C复合材料和O空位的存在会导致面对外部磁场的偶极极化,从而促进入射EMW的损失。此外,由NiCo合金的存在引起的涡流损耗和共振损耗则是磁损耗的主要来源。在介电/磁损耗的相互作用下,使得NiCo@C/ZnO复合材料具有出色的吸波性能。

图5. 一维异质结构NiCo@C/ZnO的电磁波吸收机理示意图。

作者简介

吴广磊

本文通讯作者

青岛大学 教授

主要研究领域

主要从事新型电介质微纳米器件的研发、电磁材料及储能材料,长期致力于电磁干扰及电磁污染问题治理的研究。近年来,课题组围绕吸波材料开展了包括生物质碳、MXene、MOF等新型材料的吸波性能优化工作。

主要研究成果

山东省泰山学者青年专家,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,山东省优青,复合材料与工程国家一流专业建设点负责人,青岛大学第三层次特聘教授,复合材料与工程专业系主任。作为项目负责人,已主持包含泰山学者青年专家项目、山东省高等学校青创人才引育计划团队项目、山东省省优秀基金项目、国家自然科学基金、中国博士后科学基金(第八批特别资助基金)和陕西省博士后科学基金项目、山东省自然科学基金项目等纵向科研项目13项;工程电介质教育部国家重点实验室开放课题重点项目1项;产学研横向项目1项;参与国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金委面上项目和国防科工局横向项目等多项科研课题。至今在Nat. Commun, J. Mater. Chem. A., Chem. Eng. J., Compos. Part. B-eng., Carbon, Mater. Today. Phys., J. Mater. Sci. Technol., J. Colloid. Interf. Sci等发表高水平科研论文180余篇,其中以第一或通讯作者发表高水平科研论文140余篇,高被引ESI论文30余篇,SCI他引共计8000余次,H指数54,i10指数132,并担任AdvFunct Mater、Nanoscale、Journalof Materials Chemistry C、J Mater Sci Technol、Composites Part B、Chem Eng J等国际期刊的特约审稿人以及国家自然科学基金通讯评议专家等学术职务。团队课题组指导研究生20余人,近2年共计5人次获硕士研究生国家奖学金,硕士毕业生人均高水平科研成果3篇以上。

Email: wuguanglei@qdu.edu.cn

wuguanglei@mail.xjtu.edu.cn

个人主页

clxy.qdu.edu.cn/info/1020/1239.htm

贾梓睿

本文第一作者

青岛大学 特聘教授

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。以第一作者或通讯作者身份在Mater. Today. Phys., Chem.Eng. J, J. Mater. Sci. Technol., J.Colloid. Interf. Sci., Compos. Part. B-eng., Carbon等发表高水平科研论文30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200,他引次数1800余次,授权国家发明专利2项。

Email: jiaziruiqdu@163.com

jiazirui@qdu.edu.cn

个人主页

hxhg.qdu.edu.cn/info/1240/2233.htm

王建伟

本文第一作者

青岛大学 硕士研究生

主要研究领域

主要从事电磁波吸收复合材料性能优化。

主要研究成果

硕士研究生期间获得第七届山东省大学生科技创新大赛二等奖、研究生学业奖学金一等奖、优秀学生等荣誉称号,获推2021年山东省研究生优秀成果奖。并以第一作者身份在Nano-Micro Lett, J. Colloid.Interf. Sci等期刊发表高水平科研论文3篇,其中高被引论文1篇,总影响因子大于25,他引次数60余次。
撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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E-mail:editor@nmletters.org
Tel:021-34207624



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