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景德镇陶瓷大学曾小军团队:锯齿状Mo-MXene纳米纤维与CoNi@NC纳米颗粒双异质界面的“共情”及其电磁波“回应”

已有 931 次阅读 2024-4-25 10:50 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

Zeng X, Jiang X, Ning Y, et al. Construction of dual heterogeneous interface between zigzag-like Mo-MXene nanofibers and small CoNi@NC nanoparticles for electromagnetic wave absorption. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(8): 1562-1576.

https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220772

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1研究背景

随着电子设备、无线通信设施和第五代(5G)网络的快速发展,电磁污染会影响电子设备的正常功能,并威胁人体器官的健康,这是一个非常令人关注的问题。在此背景下,寻找具有高电磁波(EMW)吸收性能的吸收剂将是未来研究的重点。最近,二维(2D)过渡金属碳化物/氮化物(Ti3C2Tx MXene)在EMW吸收和屏蔽方面引起了相当大的研究兴趣。然而,层状MXene的强范德华力很容易导致其重新堆积。同时,MXene的高电导率会产生强烈的界面反射,导致阻抗匹配(Z)不良。为此,探索具有新颖结构的MXene基材料是产生不可预测的EMW吸收效应和机制的迫切需要。

值得注意的是,Mo2TiC2 MXene由于其优异的导电性、良好的表面化学活性和丰富的内在缺陷,有望成为解决EMW污染的有前途的吸附剂。然而,纯MXene,例如Mo2TiC2,由于窄吸收带宽和单一损耗机制的缺点,是低效的吸收剂。因此,MXene常与其他材料结合使用,以协调其阻抗匹配。目前有研究结果表明,MXene多维异质结的构造可以优化其介电性质,如电子耦合效应、电荷迁移率和偶极极化,以实现EMW吸收中意想不到的性能。另一方面,在MXene基体中引入磁性物质(如金属、金属合金、金属氧化物),赋予复合材料特殊的异质结构,可以有效平衡其介电常数和磁导率,实现可观的阻抗匹配和电磁损耗能力。受此启发,本文系统研究了Mo2TiC2 MXene基磁性异质结构的构建策略和EMW吸收特性,为开发高效EMW吸收剂提供帮助。

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2、文章亮点

MXene具有良好的导电性和丰富的表面官能团,在EMW吸收领域具有巨大的潜力。然而,MXene的高导电性和自发聚集性限制了其对EMW的响应。受介磁协同效应的启发,用磁性元素修饰MXene的策略有望解决这一挑战。在这项工作中,通过氢氟酸(HF)刻蚀和氢氧化钾(KOH)剪切工艺制备了具有交联网络的锯齿状Mo2TiC2-MXene纳米纤维(Mo-MXene NFs)。随后,钴-金属-有机框架(MOF)和衍生的CoNi层状双氢氧化物(LDH)超薄纳米片生长在Mo-MXene NFs表面和层间,并且由热解形成的CoNi合金纳米颗粒锚定的氮掺杂碳基体牢固地嵌入Mo-MXene NFs网络。得益于高度分散的小型CoNi合金纳米颗粒、由锯齿状Mo-MXene NFs组装的三维(3D)导电网络、大量N掺杂的中空碳囊泡和丰富的双异质界面的协同效应,所设计的Mo-MXene/CoNi-NC异质结构提供了强大的EMW吸收能力,在4.38 mm的厚度(d)下反射损耗(RL)值为-68.45 dB。优异的EMW吸收性能可归因于优异的介电损耗、磁损耗、阻抗匹配。这项工作为开发先进的基于MXeneEMW吸收器件提供了巨大的潜力。该成果由景德镇陶瓷大学曾小军教授团队和郑州大学范冰冰教授团队联合完成,研究生蒋肖为本文共同第一作者。

 

3、研究结果

本文通过共沉淀、离子交换和热处理策略,将锯齿状Mo-MXene NF与小型CoNi@NC纳米颗粒进行混合,构建双异质界面。

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1. Mo-MXene/CoNi-NC异质结构的合成过程示意图。

通过XRD得出,最终的Mo-MXene/CoNi-NC样品中含有Mo2TiC2 MXeneCoNi相,表明其纯度高,合金化特性良好。从XPS可以得出,CoNi-NCNi 2pCo 2pXPS光谱分别显示结合能的整体负位移,这与Mo-MXene/CoNi-NC中形成的异质结构有关。

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2. (a)样品的XRD图谱。Mo-MXene/CoNi-NCCoNi-NC (b) Ti 2p(c) Mo 3d(d) Ni 2p(e) Co 2p,和(f) C 1s的高分辨率X射线光电子能谱(XPS)光谱,其中“Sat.”指卫星。

通过对图3进行分析可以得出,在热解过程中,形成的Co-NC纳米颗粒紧密附着在Mo-MXene NFs上,而形成的超小CoNi合金纳米颗粒则负载在Co-NC颗粒上,形成丰富的强双异质界面。超小CoNi合金纳米颗粒在Mo-MXene NFs中的均匀分散使吸收位点暴露最大化,从而有助于电磁波的衰减。

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3. (ab) Co-NC(cd) CoNi-NC,和(ef) Mo-MXene/CoNi-NCSEM图像。(g) Mo-MXene/CoNi-NC的元素映射图像和(h) EDS光谱。

其次,通过TEMHRTEM发现,Mo-MXene/CoNi-NC具有高度分散的小型CoNi合金纳米颗粒、由锯齿状Mo-MXene NFs构成的3D导电网络、大量的N掺杂空心碳囊泡以及丰富的双异质界面,从而实现优异的电磁波吸收能力。

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4. (a-c) Co-NC(d-f) CoNi-NC,和(g-l) Mo-MXene/CoNi-NCTEMHRTEM图像。

之后,通过对样品的电磁参数进行分析得出(图5-8),与其他样品相比,Mo-MXene/CoNi-NC异质结构具有最佳的电磁波吸收性能,在匹配厚度为4.38 mm时,RL值高达-68.45 dB,这表明介电材料和磁性材料之间具有良好的协同作用和出色的阻抗匹配。因此,卓越的EMW吸收性能可归因于优异的阻抗匹配、磁损耗、介电损耗以及增强的多次散射和反射。

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5. Co-NCCoNi-NCMo-MXene NFs,和Mo-MXene/CoNi-NC(a) ɛ'(b) ɛʺ(c) tanδɛ(d) μ'(e) μʺ,和(f) tanδµ的频率相关性。

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6. (ae) Co-NC(bf) CoNi-NC(cg) Mo-MXene NFs(dh) Mo-MXene/CoNi-NC(a-d) 2D RL(e-h) 3D RL值。(i) Mo-MXene/CoNi-NCRL值与最近先进的MXeneEMW吸收剂的比较(详情见ESM中的表S1)。

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7. (a) Co-NC(b) CoNi-NC(c) Mo-MXene NFs(d) Mo-MXene/CoNi-NCɛʺ-ɛ'曲线。

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8. Mo-MXene/CoNi-NC(a) 2D RL值和(b) tm (tmsim) vs. fm的模拟曲线。Co-NCCoNi-NCMo-MXene NFsMo-MXene/CoNi-NC(c) C0(d) α值和(e) Z值。(f)不同样品的2D RL值。

最后,对Mo-MXene/CoNi-NC异质结构的吸收机制进行分析得出,优异的阻抗匹配、磁损耗、介质损耗以及3D网络结构增强的多重散射和反射是样品性能优异的主要原因。

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9. Mo-MXene/CoNi-NC异质结构的EMW吸收机制示意图。

 

4、总结

本文通过共沉淀法、离子交换法和热处理策略将锯齿状Mo-MXene NFs与小型CoNi@NC纳米颗粒复合,构建双重异质界面。得益于高度分散的小型CoNi合金纳米颗粒、由锯齿状Mo-MXene NFs组装的3D导电网络、大量N掺杂的空心碳囊泡和丰富的双异质界面的协同效应,所设计的Mo-MXene/CoNi-NC异质结构提供了强大的EMW吸收能力,在4.38 mm的匹配厚度下RL值为-68.45 dB。优异的EMW吸收性能可归因于电-磁协同和独特结构所引起的优异阻抗匹配、磁损耗、介电损耗以及增强的多次散射和反射。这项工作为开发先进的MXeneEMW吸收器件提供了巨大的潜力。

 

5、作者及研究团队简介

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曾小军,博士,教授,江西省主要学科学术和技术带头人,景德镇陶瓷大学先进陶瓷材料研究所副所长,电磁功能材料科研创新团队负责人。北京航空航天大学博士,美国加州大学河滨分校联合培养博士,美国加州大学圣塔芭芭拉分校博士后,入选爱思唯尔数据库《2022年度全球前2%顶尖科学家榜单》。兼任SCI期刊《Rare Metals》、《Prog. Nat. Sci.》青年编委,《J. Adv. Ceram.》助理编委,ESCI期刊《Adv. Powder Mater.》青年编委,中文核心期刊《陶瓷学报》青年编委,期刊《材料研究与应用》副主任编委、中国光电材料器件网专家委员会理事,中国晶体学会会员,中国化学会会员。荣膺第二十二届“瓷都十大杰出青年”、2022年景德镇市“最美科技工作者”、2022年景德镇陶瓷大学“优秀共产党员”等称号。主要研究方向包括电磁功能材料以及能量存储与转换(电催化水解、燃料电池、超级电容器)用新型纳米材料的精细设计与构造,先后主持国家自然科学基金、江西省自然科学基金和景德镇市陶瓷产业重大攻关项目。近年来,上以第一/通讯作者发表论文70余篇,其中,SCI论文近60篇,总引用次数近3000次。授权发明专利3项。

 

 

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊简介

 

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊是由中华人民共和国教育部主管、清华大学出版社主办、清华大学出版社出版的国际学术期刊。2022年期刊影响因子为16.9,在SCI“材料科学:陶瓷”分类的28本期刊中排名第1。本刊就此成为SCI“材料科学:陶瓷”分类中首个影响因子突破15.0的期刊。

 

期刊中文网页:http://www.ccs-cicc.com/index.html

期刊英文网页:https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

 

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