研究速覽

■?近日，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，在國際知名期刊Journal of Colloid and Interface Science上發(fā)表題為“Bio-inspired, bimetal ZIF-derived hollow carbon/MXene microstructure aim for superior microwave absorption”的研究論文。自然界中的生物已經(jīng)進(jìn)化出各種各樣復(fù)雜，微妙的微觀結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)卓越的電磁響應(yīng)行為。受葉蟬網(wǎng)粒體的抗反射結(jié)構(gòu)啟發(fā)，采用雙金屬ZIF為前驅(qū)體，通過刻蝕、組裝和碳化策略構(gòu)建了具有多孔中空結(jié)構(gòu)的HCoZnNC@MX復(fù)合材料。利用組分和微觀結(jié)構(gòu)的耦合來提高微波吸收性能。在20%的填料負(fù)載和2.92 mm的厚度下，反射損耗在7.50 GHz時(shí)達(dá)-76.40 dB。此外，有效吸收帶寬可根據(jù)需要從3.55到18 GHz進(jìn)行調(diào)制。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?環(huán)境的電磁污染日益嚴(yán)重，對電子設(shè)備的準(zhǔn)確運(yùn)行和人身健康都造成了不利影響。為減輕和消除電磁輻射，需要設(shè)計(jì)具有理想吸收強(qiáng)度和寬有效吸收頻帶的微波吸收材料。經(jīng)過億萬年發(fā)展，自然界中生物演化出的多尺度復(fù)雜精細(xì)微納結(jié)構(gòu)具有與環(huán)境相適應(yīng)的優(yōu)異功能特性，其中電磁響應(yīng)能力尤為矚目。例如葉蟬網(wǎng)粒體中獨(dú)特的多孔顆粒狀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出超強(qiáng)抗反射能力，通過多次內(nèi)反射有效地將電磁波困在空隙結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而抑制整體反射。該特性可以增強(qiáng)阻抗匹配和介電損耗，可啟迪開發(fā)具有增強(qiáng)的微波吸收特性的仿生結(jié)構(gòu)。金屬有機(jī)框架(MOF)熱解后的衍生物不僅可以保留前驅(qū)體的微觀形貌，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的介電-磁耦合損耗效應(yīng)。盡管如此，介電損耗行為通常受到碳化策略的限制，應(yīng)引入高導(dǎo)電成分來調(diào)節(jié)電導(dǎo)損耗和界面極化行為。MXene憑借其高導(dǎo)電性、層狀結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種具有良好的吸波應(yīng)用前景的二維材料。因此，MOF衍生物與MXene納米片的組合是提高吸波性能的有效策略。

鑒于此，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過在雙金屬M(fèi)OF前驅(qū)體中創(chuàng)建空心核來設(shè)計(jì)多孔和空心框架結(jié)構(gòu),與MXene納米片進(jìn)行表界面組裝，同時(shí)調(diào)整電磁響應(yīng)行為和微觀結(jié)構(gòu)，整合了組分和結(jié)構(gòu)兩方面的優(yōu)勢。鐵磁金屬/碳框架/MXene納米片的均勻組裝產(chǎn)生了更多具有分層空間結(jié)構(gòu)的異質(zhì)界面，從而增強(qiáng)了極化過程，而中空結(jié)構(gòu)和可調(diào)微孔有助于更好的阻抗匹配行為，使其表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁波吸收性能。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?作者制備了H-Co/Zn-ZIF@MX空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，碳化后HCoZnNC@MX模仿了葉蟬網(wǎng)粒體特征，保留了母體空心結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了介電-磁耦合效應(yīng)。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?阻抗匹配和衰減能力都是提高吸波性能的重要因素。HCoZnNC@MX-800樣品表現(xiàn)出更好的阻抗匹配行為，這是由于仿生空心結(jié)構(gòu)的構(gòu)造以及碳?xì)ず蚆Xene納米片之間異質(zhì)界面的組裝所致。此外，合理的碳化策略可以通過介電損耗和磁損耗效應(yīng)來調(diào)節(jié)電磁響應(yīng)行為，從而促進(jìn)微波的入射。

▉? 研究要點(diǎn)3??▉

■?導(dǎo)電碳?xì)ず蛣冸x的MXene納米片在低碳化溫度下的導(dǎo)電損耗為電子沿框架遷移和跳躍提供了途徑。異質(zhì)組分之間的界面兩側(cè)可以積累空間電荷，作為“微電容器”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)大的界面極化行為。鐵磁性鈷納米粒子在該頻率范圍內(nèi)提供有效的磁損耗行為?？招?多孔的仿生構(gòu)造可以通過引入空隙和在一定程度上避免納米復(fù)合材料的團(tuán)聚來調(diào)整阻抗匹配行為。受益于成分和微觀結(jié)構(gòu)，仿生HCoZnNC@MX復(fù)合材料成為高性能吸波材料的有力的競爭候選者。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?作者采用雙金屬Co/Zn-ZIF作為自模板前驅(qū)體，通過化學(xué)蝕刻、靜電組裝、和碳化策略。設(shè)計(jì)的材料顯示出增強(qiáng)的電磁波吸收特性，其中最小反射損耗強(qiáng)度在7.5 GHz時(shí)達(dá)到-76.40 dB，厚度為2.92 mm。優(yōu)化的有效吸收帶寬在3 mm 下到達(dá)到4.8 GHz，碳化溫度為600℃。此外，通過調(diào)整1-5 mm的厚度，有效吸收帶寬可以在3.55 到 18 GHz的范圍內(nèi)進(jìn)行定制。空心/多孔微結(jié)構(gòu)的構(gòu)造平衡了阻抗匹配行為，并在一定程度上避免了納米復(fù)合材料的團(tuán)聚，顯著提高了吸波性能。這項(xiàng)工作提出了一種新穎的仿生結(jié)構(gòu)工程概念，為設(shè)計(jì)下一代微波吸收器提供了新思路。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.06.011