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华东师大宋也男/赵振杰教授、同济大学陆伟教授 CEJ: 氮掺杂MXene复合材料作为金属导性微波吸收体

时间：2023-09-24 来源： 浏览：

华东师大宋也男/赵振杰教授、同济大学陆伟教授 CEJ: 氮掺杂MXene复合材料作为金属导性微波吸收体

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近年来，以 5G 为代表的电子信息技术的快速发展导致军事、商业和民用通信等各个领域的电磁泛滥。因此，有必要研究具有轻质结构和强吸收效率的电磁波吸收材料，以应对日益严重的电磁干扰问题。同时，二维材料 (MXene) 由于其本征优异性能，在解决电磁干扰问题上获得了广泛青睐。
然而 MXene 衍生物在电磁波吸收领域的功效受到两个重大挑战的限制。首先， Mxene 的高电导率削弱了匹配阻抗能力，导致大量电磁波逸出。其次，考虑到氢键和范德华力之间的相互作用， MXene 薄片易于堆叠，进一步削弱了阻抗匹配能力。为了解决这个问题，将氮原子插入 Ti 3 C 2 T x 晶格的过程在降低电导率和载流子数量方面表现出了良好的效果，这是通过产生晶格缺陷和加宽带隙来实现的。 N-Ti 3 C 2 T x 平行四边形结构含有许多氮掺杂缺陷，导致碳原子和氮原子的对称中心偏离原来的位置，从而产生偶极极化。因此，经过氮掺杂退火后， N-MXenes 的阻抗匹配、界面极化和偶极子极化得到改善。 MXene 薄片很容易重新堆叠，导致其整体性能下降。此外，为了减少 MXene 薄片的重新堆叠从而提升整体性能，已经采用了各种技术，包括但不限于重新堆叠剥离的薄片、引入嵌入剂如沸石咪唑骨架 (Zeolitic Imidazole Frameworks, ZIFs) 、修饰表面官能团以及掺杂杂原子如氮原子等。与此同时， N-Ti 3 C 2 T x 表现出的单一介电损耗模式需要进行修改，以实现包括磁损耗和介电损耗的复合损耗模式，以增强电磁波吸收性能。这同样可通过掺入煅烧磁性金属有机框架 (Metal-Organic Frameworks, MOFs) 或 ZIFs 来实现。
近期， 华东师范大学宋也男、赵振杰教授课题组联合同济大学陆伟教授 提出了一种氮掺杂 MXene 复合材料作为金属导性微波吸收体，用以增强电磁波吸收。博士研究生束翔凤为第一作者，相关研究成果以 "Morphology–Dependent Magnetic Role of ZIFs in Nitrogen–Doped MXene as Metallic Conductor Microwave Absorber " 为题，发表于国际期刊《 Chemical Engineering Journal 》上。
MXene 表现出的次优阻抗匹配特性 ( 归因于其较高的电导率 ) 以及 MXene 薄片的团聚倾向，极大地限制了 MXene 衍生物在电磁波吸收领域的实用性。为了降低电导率并诱导偶极极化，通过利用乙腈作为液氮源将氮掺杂缺陷引入 MXene (Ti 3 C 2 T x ) 。为了减轻二维 MXene 薄片的重新堆叠并增强其在低频段的吸收性能，分层引入了磁性嵌入剂。 Co-Zn 配位沸石咪唑骨架 (ZIF) 作为磁性嵌入剂的应用已证明极性单元的显著增强。煅烧后的 ZIF-67@ZIF-8 的结构呈现出中空形态，并表现出高饱和磁化强度，有利于提升磁损耗。例如， ZIF-67@ZIF-8/N-Ti 3 C 2 T x 有效吸波频宽可达 5.36GHz (2.273mm, 13.00GHz, R Lmin =–65.03dB) ，最小反射率值可达 –70.43dB (3.350mm, 7.64GHz, EAB=3.16GHz) 。此外，本研究采用 COMSOL 模拟来研究 ZIF-67@ZIF-8/N-Ti 3 C 2 T x 对电流场的响应行为，及其电屏蔽属性和电磁场模式。这种创新的多层微结构有效地实现了介电性能和磁性能之间的理想平衡，从而在连续多波段电磁波吸收领域展现了广阔的应用前景。
图 1.  图形概要
图 2. (a–f) 有机骨架碳化度结构模拟图与对应样品 C1 、 C2 、 C3 和 C4 的 TEM 图像；以及样品 C1 和 C3 的元素映射； (g) 样品 C0 、 C1 、 C2 、 C3 和 C4 的 XRD 图； (h) 样品 C0 的 SEM 图像；样品 C0 、 C1 、 C2 、 C3 和 C4 的 (i) Co 2p 精细谱和 (j) Zn 2p 精细谱； (f) 元素 Co 、 Zn 、 C 、 N 和 O 的原子比。
图 3. (a) 样品 C3 、 C4 、 M1 、 C3M 和 C4M 的 Cole–Cole 半圆 ( ε’ 与 ε" ) ；样品 C3M 在 (b) 电流场上的 COMSOL 模拟； (c, d) 电屏蔽， (e) 电磁波场；以及 (f) C 0 值。
图 4.  样品 C3 、 C4 、 M1 、 C3M 和 C4M 的复介电常数实部 ε′ (a) 和虚部 ε″ (b) 、实部 μ′ (c) 和虚部 μ″ (d) 复磁导率部分、以及介电损耗 tanδε (e) 和磁损耗 tanδμ (f) ； (g) 掺杂氮含量为 5.31 at% 的 N-Ti 3 C 2 T x 的总 DOS 和 PDOS ； (h) Ti 3 C 2 T x 和 N-Ti 3 C 2 T x 的平行四边形原子排列。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145817

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