Identification of the Intrinsic Dielectric Properties of Metal Single Atoms for Electromagnetic Wave AbsorptionXinci Zhang, Yanan Shi, Jia Xu, Qiuyun Ouyang, Xiao Zhang*, Chunling Zhu*, Xiaoli Zhang, Yujin Chen*
图1. 3D M–NₓC材料的普适合成过程示意图。II 3D M–NₓC材料SEM和TEM的形貌和结构表征图2的SEM图像表明所制备的3D M–NₓCs呈现出三维蜂窝状形貌，蜂窝孔径约为1 μm，碳基质厚度约为15 nm。这种相互连通的多孔结构使3D M–NₓCs具有较大的表面积，有利于材料电磁波吸收性能的提高。3D M–NₓCs的表面积在550–634.0 m2 g⁻1范围内，具有轻量化特征。3D M–NₓCs的TEM图像显示纳米片中没有金属颗粒(图2 a1-f1)。材料的EDX图像表明，N、C和相应的金属均匀分布在碳纳米片上(图2a2-f2)。因此，可以推断在3D M–NₓCs材料中存在原子分散的金属原子。图2. (a) 3D NC；(b) 3D Mn–NC；(c) 3D Fe–NC；(d) 3D Cu–NC；(e) 3D Ni–NC；(f) 3D Co–NC的SEM和TEM图像。III 3D M–NₓC材料XRD、Raman和XPS能谱分析
3D NC和M–NₓCs的电参数如图5a-f所示，3D NC的ε׳值从5.8减小到4.5，虽然3D M–NₓCs的ε׳值也有所降低，但仍高于3D NC的ε׳值。在2-18 GHz范围内，3D Ni–NC、Cu–NC、Co–NC、Fe–NC和Mn–NC的ε׳最小值分别为6.6、6.9、7.0、8.2和7.1。3D M–NₓCs的ε׳值的增加表明材料电磁能量的存储能力有所提升。此外，与3D NC相比，3D M–NₓCs的ε״值在2-18 GHz范围内具有较高的值域区间，说明3D M–NₓCs具有更强的电磁耗散能力。3D材料的εc״-f和εp״-f曲线显示出3D M–NₓCs具有较高的εc״和εp״值，说明金属单原子的引入可以显著提高材料的电导损耗和极化损耗能力(图5g-h)。值得注意的是，3D M–NₓCs中，电导损耗和极化弛豫损耗的顺序为3D NC < 3D Ni–NC < 3D Cu–NC < 3D Co–NC < 3D Fe–NC < 3D Mn–NC (图5i)，说明金属Mn单原子的引入更有利于提高材料的介电损耗性能。
图5. (a) 3D NC、(b) 3D Ni–NC、(c) 3D Cu–NC、(d) 3D Co–NC、(e) 3D Fe-NC、(f) 3D Mn–NC的εr–f曲线；(g–h) 3D M–NCs和NC的εc״–f 和 εp״–f曲线；(i) 3D M–NCs和NC在2-18 GHz范围内的εc״和εp״值的分布。
基于传输线理论，通过计算反射损耗(R˪)来评价3D M–NₓCs和3D NC的电磁波吸收性能。图7a-g的结果表明，与3D NC相比，3D M–NₓCs的最低反射损耗值 (R˪, min)和有效吸收带宽(EAB₁₀)的值有了显著的增强。其中，3D Mn–NC的R˪, min和EAB₁₀值可达到–46.2 dB和4.7 GHz。值得注意的是，3D M–NₓCs的电磁波吸收性能依次为3D NC < 3D Ni-NC < 3D Cu-NC < 3D Co-NC < 3D Fe-NC < 3D Mn-NC (图7g)，与介电损耗值的顺序一致。因此，与3D NC相比，3D M–NₓCs样品的导电损耗和极化损耗能力均有所增加，从而提高了材料电磁波吸收性能。综上所述，金属单原子的引入增加了3D M–NₓCs的电导损耗和极化损耗。因此，3D M–NₓCs样品的电磁波吸收性能的增强是由于这些样品中存在的金属单原子。此外，3D Mn-NC的|SRLl| and |SRLlt|值分别达到4.62 dB mg⁻1和2.31 dB mm⁻1 mg⁻1 (假设每个吸附体的质量为100 mg)，远远高于之前报道的碳基材料吸附剂(图7h)。因此，3D Mn-NC是高效、超薄、轻量化电磁波吸收材料的潜在候选材料。
图7. (a) 3D NC、(b) 3D Ni–NC、(c) 3D Cu–NC、(d) 3D Co–NC、(e) 3D Fe-NC、(f) 3D Mn–NC的反射损耗曲线；(g) 材料的R˪, min、EAB₁₀参数对比；(h) 3D Mn–NC和已报道的碳基吸波材料SRLl and SRLlt值对比。
张新慈
张潇
朱春玲
陈玉金
