殼聚糖衍生N摻雜磁性CoNi修飾碳?xì)饽z用寬帶電磁波吸收和熱絕緣

1成果簡(jiǎn)介

輕質(zhì)、多功能、寬帶寬且高效的電磁波吸收（EWA）材料的開(kāi)發(fā)仍是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。本文，陜西科技大學(xué)郭江 副教授、朱建鋒 教授等在《Carbon》期刊發(fā)表名為“Lightweight N-Doped Carbon Aerogels Decorated with Magnetic CoNi Alloy Particles for Broadband Electromagnetic Wave Absorption and Thermal Insulation”的論文，研究提出通過(guò)定向冷凍及后續(xù)碳化工藝，成功制備了殼聚糖衍生的氮摻雜磁性CoNi修飾碳?xì)饽z。其構(gòu)筑的定向多孔結(jié)構(gòu)與CoNi修飾氮摻雜碳異質(zhì)界面，通過(guò)調(diào)控極化、導(dǎo)電性和磁損耗實(shí)現(xiàn)阻抗匹配優(yōu)化。該效果源于對(duì)石墨化程度及CoNi合金顆粒負(fù)載量的精確控制。同時(shí)，定向多孔框架結(jié)構(gòu)有效改善了電磁波的多重反射與散射現(xiàn)象。

值得注意的是，所制備的CoNi合金顆粒修飾氮摻雜碳?xì)饽z（CsCN-2）在低密度（0.067 g/cm3）下展現(xiàn)出優(yōu)異的有效吸收波段性能：12.80 GHz頻率下最小反射損耗（RLmin）達(dá)-58.81 dB， 有效吸收帶寬(EAB)可達(dá)6.96 GHz，厚度僅3.09 mm。當(dāng)厚度減至2.85 mm時(shí)，最大EAB更擴(kuò)展至7.52 GHz（覆蓋10.48 GHz至18 GHz頻段）。此外，CsCN-2碳?xì)饽z還展現(xiàn)出優(yōu)異的CST模擬結(jié)果和卓越的隔熱性能。本研究為設(shè)計(jì)兼具高性能EWA的多功能碳?xì)饽z提供了全新思路。

2圖文導(dǎo)讀

方案一、Schematic of fabrication of biomass chitosan-derived N-doped magnetic carbon aerogel.

圖1、 SEM images of (a&a1) CsCN-1, (b&b1) CsCN-2, (c&c1) CsCN-3 and (d&d1) CsCN-4 carbon aerogel; (e-k) TEM images of CsCN-2 carbon aerogel.

圖2、(a) XRD patterns of the CsCN carbon aerogels; (b) FT-IR of the Cs and CsCN carbon aerogels; (c) Raman spectra of the CsCN carbon aerogels; (d) Total XPS spectra, (e) C 1s, (f) N 1s, (g) O 1s, (h) Co 2p and (i) Ni 2p XPS spectra for CsCN-2 carbon aerogel; (j) The photograph, (k) N2 adsorption-desorption isotherms and (l) Magnetic hysteresis loops of CsCN-2 carbon aerogel.

圖3. (a) ε', (b) ε", (c) tanδε, (d) μ', (e) μ" and (f) tanδμ for CsCN carbon aerogels in the frequency range of 2-18 GHz.

圖4. 2D&3D Reflection loss maps of CsCN carbon aerogels. (a-c) CsCN-2, (d-f) CsCN-3 and (g-i) CsCN-4 in the frequency range of 2-18GHz with thickness of 1.0 to 5.0 mm, (j) Previous reports on the EWA performance of carbon aerogel materials.

圖5. Cole-Cole semicircle curves of (a) CsCN-1, (b) CsCN-2, (c) CsCN-3 and (d) CsCN-4; (e) C0, (f) Z and (g) α curves of the samples as a function of frequency; Frequency dependence of tmfit and tmexp for (h) CsCN-2, (i) CsCN-3 and (j) CsCN-4 carbon aerogel.

圖6. (a) Simulation model of RCS; (b) RCS values of PEC and samples at diverse angles, RCS simulation plots for (c) PEC, (d) CsCN-1, (e) CsCN-2, (f) CsCN-3 and (g) CsCN-4; (h) RCS reduction plots of CsCN-1, CsCN-2, CsCN-3 and CsCN-4 at specific angles

圖7. Proposed mechanism of EWA in CsCN carbon aerogels.

圖8. (a-b) Infrared thermography images of CsCN-2 carbon aerogel on a heated platform at 100 °C. (c) Curve of surface temperature of CsCN-2 carbon aerogel as a function of time. (d) Infrared thermography image of CsCN-2 carbon aerogel placed in the hand. (e-j) Photographs of the thermal insulating properties of the CsCN-2 carbon aerogel.

3小結(jié)

綜上所述，通過(guò)定向冷凍與碳化工藝成功制備了殼聚糖衍生的N摻雜磁性碳?xì)饽z。通過(guò)調(diào)控碳化溫度和CoNi負(fù)載量，成功實(shí)現(xiàn)了電磁參數(shù)的調(diào)控。CsCN-2碳?xì)饽z在12.80 GHz頻率下展現(xiàn)出-58.81 dB的最小反射損耗（RLmin），對(duì)應(yīng)6.96 GHz（3.09 mm）的最小等效吸收帶寬（EAB）及7.52 GHz（2.85 mm）的最大等效吸收帶寬（EABmax）。構(gòu)筑的定向多孔框架增強(qiáng)了電磁波的傳導(dǎo)損耗及多重反射散射效應(yīng)。同時(shí)，碳化過(guò)程中碳?xì)饽z的氮摻雜和缺陷可誘導(dǎo)缺陷或偶極極化。CsCN-2碳?xì)饽z在所有入射角下均實(shí)現(xiàn)低于-10 dB·m2的RCS值，其中0°角處達(dá)到最佳RCS衰減值24.21 dB·m2。此外，該材料還展現(xiàn)出顯著的隔熱性能。本研究為設(shè)計(jì)輕質(zhì)多功能高性能電磁波吸波材料提供了全新思路。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.121168

來(lái)源：材料分析與應(yīng)用