河北工大《Carbon》:新型轻质复合材料的可控合成及吸波性能!






































































































































































































































































































































































































































































































































































随着电子信息时代的到来,由电磁辐射引起的电磁干扰和污染问题变得愈发严重。 因此,开发一种理想的微波吸收材料成为了科研领域中的一项热点问题。为了解决电磁辐射和电磁干扰,许多研究人员进行了各种尝试。一般来说,最常见的微波吸收材料主要由介电损耗材料和磁损耗材料两部分组成。一种常见的合成方法是将轻质碳基材料(石墨烯、碳纳米管和碳纤维)与金属磁性材料(铁和铁氧体)结合,通过调整复介电常数和复磁导率来提高微波吸收性能。

虽然石墨烯复合吸波材料的研究给我们带来了一定的成功,但是依然存在一些问题。石墨烯是一种零带隙的半导体,并且本身不具有优异的微波吸收能力。同时石墨烯的介电常数大,当电磁波接触其表面时,很容易引起强反射。这种强反射势必会影响复合材料的吸波性能,于是我们创新性的使用石墨烯量子点(GQDs)来代替石墨烯。与此同时,氮化硼纳米片(BNNs)对电磁波的反射能力较弱,同时具有熔点高、导热系数高、化学性质稳定、耐腐蚀等优良特性,且在电磁波吸收领域已有一些研究。将GQDs与超薄BNNs相结合,得到了轻质GQDs/BNNs复合材料,其阻抗匹配率和稳定性均得到增强。

近日,来自河北工业大学的胡琦等人根据GQDs和BNNs各自的性能特点,采用一步水热法设计并制备了不同负载量的GQDs/BNNs复合材料。研究了样品中GQDs浓度对复介电常数和复磁导率的影响并测试了GQDs/BNNs的反射损耗( R L )、衰减常数( α )、阻抗匹配率( Z in )等参数,比较了GQDs中自由载流子浓度与微波吸收性能之间的关系。根据实测数据,GQDs浓度的增加有利于材料微波吸收强度的提高。S9的 R L 值达到了-59.9 dB且吸收频率范围也达到了2.1~18 GHz。当吸收频率进一步增加到19~27 GHz和28~40 GHz时,S9的RL也小于-10 dB。这些结果表明GQDs作为微波吸收剂使用性能非常优秀。同时,BNNs的引入不仅可以改善GQDs在12~17.5 GHz频率下的微波吸收性能,而且可帮助GQDs克服亲水性。此项工作可为随后的微波吸收材料的开发提供新的思路。

1. GQDs(a) TEM, (b) HRTEM (c) AFM图像; (d) GQDs水溶液的光致发光光谱(激发波长为450 nm); (e) 1是自然光照射下的GQDs2是紫外线 (365 nm) 照射下的GQDs

从图1(a-c)的TEM图像和AFM图像中可清楚的看到GQDs的分布和尺寸,GQDs的平均大小约为2-5 nm,晶面间距约为0.24 nm。在波长为450 nm的激发光下,GQD的发射波长为545 nm,在自然光下呈现浅棕色,在365 nm紫外灯照射下为黄色(图1d-e)。

图2. 不同浓度的GQDs与BNNs复合样品的TEM和Mapping图像(a, b) S1 (c) S3 (d) S9。

根据TEM图像所示(图 2),不同浓度的GQDs均匀的分散BNNs在表面。随着石墨烯量子点的浓度不断增加,负载量也随之增加(图2b和c)。从图4d中可以看到,S9样品中BNNs与GQDs的比例增加到1:9时,BNNs的表面存在大量 GQDs。当GQDs浓度继续增加负载量会达到饱和。同时S9中B、C和N的分布可从图2e-h中获得,也证实GQDs是均匀负载在超薄BNNs上。

图3. (a) BNNs、GQDs和S9的FT-IR光谱 (b, c) 二维和三维GQDs的RL图。

3a BNNs GQDs S9 500~4000 cm-1 处的 FT-IR 光谱。 B-N-B(~803 cm-1) B-N (~1360 cm-1) 两处的峰是 BNNs 的特征峰, -OH 的吸收峰处于 3000cm-1 3700 cm-1 。在 1623cm-1 处的峰代表 GQDs C=C 伸缩振动。 B-O(~1023 cm-1) B-C(~1015 cm-1) C-N(~1630 cm-1) GQDs/BNNs 的特征峰,这进一步说明 GQDs 已成功与 BNNs 复合。如图 3b-c 所示, GQDs RL 值在 2.5~12GHz 范围内不断升高,显示出良好的微波吸收性能( R Lmin = -54.3 dB )。然而, GQDs RL 值在 12~17.5GHz 的频率范围内 R L < -10 dB ,不能满足微波吸收材料的基本标准。因此,保持 2.5~12 GHz 范围内 GQDs 的微波吸收性能同时增强 12~17.5 GHz 频率范围内的微波吸收强度便成为后续研究的重点。

【文章信息】
Controllable synthesis and enhancedmicrowave absorption properities of novel lightweightgraphene quantum dots/hexagonal boron nitride composites. Carbon, 2021, 182: 134-143.

【作者介绍】
论文的第一作者为河北工业大学材料学院/河北省微纳氮化硼材料重点实验室的博士研究生胡琦,导师是唐成春教授和房毅副教授。

【课题组介绍】
河北工业大学氮化硼材料研究中心(主任:唐成春教授)依托材料物理与化学国家重点学科、河北省微纳氮化硼材料重点实验室和六方氮化硼制备及其应用关键技术教育部创新团队,致力于微纳结构氮化硼基新材料的绿色合成、性能探索以及应用开发的基础理论和实验研究,研究涉及导热、污染物吸附、吸透波、催化及光催化等应用方向。近年来,先后承担国家、省市级科研项目40余项,共获得省部级奖励4项,获得授权专利100余项。 课题组主页: http://www.nanobn.cn/zh/



*感谢论文作者团队对本文的大力支持。