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竹源纳米纤维异质结衍生碳:环境自适应的宽频电磁波吸收材料 精选

已有 2991 次阅读 2022-1-19 21:40 |系统分类:论文交流

Biomass‑Derived Carbon Heterostructures Enable Environmentally Adaptive Wideband Electromagnetic Wave Absorbers
Zhichao Lou, Qiuyi Wang, Ufuoma I. Kara, Rajdeep S. Mamtani, Xiaodi Zhou, Huiyang Bian, Zhihong Yang, Yanjun Li*, Hualiang Lv*, Solomon Adera*, Xiaoguang Wang*

Nano-Micro Letters (2022)14: 11

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00750-z

本文亮点
1. 通过热解由纤维素和木质素组构成的生物质二次提取物,获得了一种结构,共价键的高度可调的衍生碳基电磁吸收材料

2. 基于结构的高度可调性和共价键的精准调控,新型生物质衍生碳材料表现出在极好的宽频电磁吸收性能,同时证明了优异的抗酸碱性,及其疏水能力

内容简介
无线通讯技术的迅速发展促进电磁吸收材料的发展。近些年,众多国内外课题组在探索宽频,轻质型电磁吸收材料领域取得突破性进展。但基于场景化应用,在诸如变温,频选型等具体的场景模式或功能需求下,构筑新型电磁响应模式,有针对性地解决电磁问题仍是一大难点。考虑到电磁吸收剂,无论是基于军事隐身还是电子民用目的,当下的电磁吸收材料常被应用于户外。因此,地域、晴雨天气等不可控因素对电磁响应的稳定性产生一定负面的影响。基于此,探索一种新型电磁吸收剂,即在酸碱下不仅保持稳定的电磁吸收性能,同时能够展现较好的疏水能力,为拓展电磁户外应用提供了解决思路。为了实现这一目的,需对吸收剂的组分、结构以及化学键具有高度、精准的可调性。南京林业大学竹材工程技术研究中心李延军教授团队与美国俄亥俄州立大学吕华良研究员,王晓光教授,新加坡科学技术研究所杨志鸿研究员以及美国密歇根安娜堡大学Solomon Adera教授联合,在本研究中提出一种由生物质活性碳化而来的衍生物碳。不同于以往直接的前驱体碳化法,该生物质前驱体是基于竹子的二次提取物,由组分结构高度有序的木质素-纤维素异质结构成。碳化后产物既展现了结构的可控性,又保证了碳基共价键由亲水型趋向于稳定的疏水型转变,实现耐酸碱性和宽频吸收性能,同时维持理想的疏水性能,充分地模拟并展现了可户外应用的能力。为今后获取更多组分结构可控型衍生碳电磁材料,且可适应于环境变化性电磁吸收材料的发展具有一定的意义。
图文导读
竹源木质纤维素异质结构的形貌表征

以天然竹渣废料作为原料,采用苯磺酸水解的方法制备木质纤维素纳米纤维(LCNF),实现纤维素/木质素异质结构有效调控。如图1所示,为获得的不同纤维素/木质素含量比的LCNF高分辨原子力显微镜图像,通过AFM高度图和相位图的比较,可以从图中明显区分异质结中的木质素和纤维素分布。

图1. (a-h) 不同放大倍数的LCNF的AFM高度图;(i-l) LCNF的AFM相位图。
II 碳异质结构的结构表征

通过石墨化木质纤维素的分级组装制备的碳异质结构(GCs)。实验表明,随着LCNF中纤维素含量的提升,碳异质结构整体由二维的片状趋于一维的纳米纤维状,最终又逐步自分解,共生形成片状。在结构的演变过程中,增大亲水型含氧官能团的分解,提高表面疏水性和抗酸碱能力,增强环境自适应性。

图2. (a-d) GCs的FE-SEM图像及其相应放大图(e-h);(i-l) 代表性纳米片和纳米线的高分辨TEM图像,以及SEAD图。

III 碳异质结构的电磁波吸收行为

基于同轴电磁测试原理对样品电磁性能进行定量分析。结果表明,GC-8在2毫米厚度下,有效吸收频带宽度达到4.2 GHz(对应匹配厚度1.6毫米),展现出较好的宽频吸收特性。

图3. (a-d) GCs的二维彩色RL值;(e, f) 涂层厚度小于2毫米条件下,GCs的RL曲线。

针对电磁损耗机制的分析,首先,纳米纤维和纳米片的共生结构表现为纳米尺寸的纳米天线,促进载流子无序运动,对电磁波衰减具有促进作用。其次,衍生碳的晶体结构中,镶嵌于有序的石墨区域中的偶极子在电磁场下,易于诱导高频弛豫行为,进一步促进电磁吸收。

图4. (a, b) 纯木质素和纤维素碳化后的介电常数参数。插图显示了相应的Cole-Cole曲线图;(c, d) GCs与纯纤维素碳的实介电常数比和虚介电常数比;(f, g) 极化-驰豫过程示意图。

IV GC-8疏水性和耐酸碱性能

15%掺杂量的GC-8涂层展现出优异的表面疏水性能,在各种生活中常见液体下水接触角保持在120°以上。此外,GC-8浸入pH值为5.6的酸性溶液(模拟酸雨的pH值)或pH值为8.5的碱性溶液中7天后,电磁波能量耗散性能在宽有效吸收频带和低反射损耗值方面基本维持不变。

图5. (a) 水、酱油、咖啡和牛奶在GC-8涂层表面的水接触角情况;(b, c) GC-8浸入pH值为5.6的酸性溶液(模拟酸雨的pH值)或pH值为8.5的碱性溶液中7天后的电磁波吸收性能及其(d, e) 相应SEM图像。

作者简介

娄志超

本文第一作者

南京林业大学 副教授
主要研究领域

生物质基复合材料、隐身材料、磁介电材料、生物传感器技术。

主要研究成果

近年来基于生物质材料特殊化学成分和三维连续孔道微结构实现电磁波吸收剂理论设计、关键合成以及推广应用。发表学术论文60余篇,其中SCI论文50余篇,以第一作者或通讯作者在Chem. Eng. J., J. Mater. Sci. Technol., Compos. PartA/B, Anal. Chem.等中科院1区Top期刊发表论文12篇,影响因子大于10论文5篇,其中5篇当选为ESI高引论文。参与制定国家和行业标准2项,参与完成成果鉴定2项。

Email: zc-lou2015@njfu.edu.cn

吕华良

本文通讯作者

俄亥俄州立大学 Research fellow
主要研究领域

1) 电磁吸收及屏蔽材料的纳米结构调控及其损耗机制的研究;2) 功能性柔性电磁器件的构筑及其在能量转换领域的利用。

主要研究成果

现已在Nat. Communs, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊上发表40余篇电磁相关论文, 总引频次数近6000次,其中近20多篇SCI论文当选为ESI高引论文,入选2021年科睿唯安高被引科学家。

Email: yexuexun5309@163.com

李延军

本文通讯作者

南京林业大学 二级教授
主要研究领域

竹材工程材料、木竹材材质改良。

主要研究成果

长期从事木材科学与技术领域的科研与教学工作,在木质材料及其改良、竹材工程材料等研究领域取得了丰硕的成果,开发了刨切微薄竹、户外竹重组材等新产品,推广20多家企业,新增产值达50多亿元;获得了国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步奖10余项;先后发表论文150余篇,其中40余篇被SCI收录;授权国家发明专利30余件;国际标准5项、行业标准8项。

Email: lalyj@njfu.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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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。
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Tel: 021-34207624



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1 黄永义

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