【引言】

消費類電子產品和雷達監測技術的飛速發展造成了嚴重的電磁污染問題。為了消除電磁污染對人類和自然的危害，人們長期致力于高性能微波吸收材料的開發。然而，主要的挑戰在于如何通過一種簡便而有效的方法來實現多種功能的一體化，包括強吸收，寬頻寬，薄厚度，重量輕，耐腐蝕和低成本。

【成果簡介】

近日，中科院山西煤化所的陳成猛研究員課題組提出了通過一步協同催化熱解的策略構建竹節狀氮摻雜碳管封裝的鈷鎳合金作為微波吸收劑。該合成路線同步實現了碳管的原位生長、氮的自摻雜以及鈷鎳納米球的封裝。竹節狀氮摻雜碳管的設計，為感應電流的產生提供了豐富的導電腔壁，同時氮原子的引入誘發了局部電荷不均勻的分布，進而增強了其導電損耗和極化弛豫過程。更重要的是，將CoNi合金封裝在碳管中不僅有效地防止了CoNi納米粒子的團聚，同時解決了CoNi合金腐蝕性的問題，這將有利于在極端化學環境下保持其原有磁性和改善碳管的阻抗匹配特性。經實驗優化，CoNi-N/C-700在超薄厚度（1.45 mm）和低擔載率（10 wt％）下實現了強微波吸收能力（-55.62 dB）和寬吸收頻寬（4.25 GHz），并進一步驗證了其在極端化學環境下展示了穩定的吸波性能，這在改善電氣設備的環境適應性方面展示了廣闊的前景。本工作旨在探索一種簡單，廉價且可規模化的方法開發磁性金屬/碳復合材料作為新型輕質，防腐蝕和高效的微波吸收劑，以面向未來的大規模應用。此文章發表在國際炭材料領域著名期刊Carbon上，題為“Bamboo-like N-doped Carbon Tubes Encapsulated CoNi Nanospheres towards Efficient and Anticorrosive Microwave Absorbents”。碩士生梁磊磊為論文的第一作者；孫國華副研究員、陳成猛研究員為通訊作者；中國科學院山西煤炭化學研究所為第一通訊單位。

【圖文導讀】

1.通過一步協同催化熱解三聚氰胺和過渡金屬硝酸鹽的配合物，制備了竹節狀氮摻雜碳管封裝的鈷鎳合金微球作為微波吸收劑。

圖1.  竹節狀氮摻雜碳管封裝鈷鎳合金微球的合成路線示意圖。

2.  熱解溫度可以有效調控化學組成，石墨化度，摻雜氮的比例，以及磁學性能。

圖2. CoNi-N/C復合物的（a）XRD圖，（b）Raman光譜，XPS光譜的（c）總譜，（d）C 1s和（e）N 1s，以及（f）磁滯回線。

3. 竹節狀氮摻雜碳管封裝鈷鎳合金微球的形貌與微觀結構。

圖3. CoNi-N/C復合物的（a-d）SEM圖像；CoNi-N/C-700的（e，i）TEM圖像，（j，k）HRTEM圖像，（l）相關晶面間距分布以及（m）元素分布。

4. 不同熱解溫度下的CoNi-N/C復合物微波吸收性能以及性能對比。

圖4. （a，d）CoNi-N/C-700，（b，e）CoNi-N/C-800和（c，f）CoNi-N/C-900的反射損失和吸收帶寬； CoNi-N/C系列在1.45 mm厚度時的（g）阻抗匹配值，（h）衰減常數，以及（i）最優反射損失曲線。

圖5. 雙金屬基吸波劑的微波吸收性能的對比：（a）反射損失與擔載率的關系，以及（b）反射損失與匹配厚度的關系。

5. CoNi-N/C-700的微波吸收機理探索。

圖6. CoNi-N/C雜化物的微波吸收機理。

首先，具有高長徑比的碳管可以相互重疊形成三維導電網絡（圖6a），這有利于電子的快速傳輸。奇特的竹節狀微觀結構提供了豐富的導電腔壁，有助于產生強大的感應電流。這些結構特征為電子的遷移和跳躍創造了良好的條件（圖6b），進而賦予材料優異的導電損耗。

其次，氮原子的摻入破壞了原始碳晶格上電荷分布的平衡，并促進了極化中心的形成，進而提供了額外的偶極子極化損耗（圖6c）。在碳管/鈷鎳合金異質界面處，自由電荷的不均勻聚集和分布會產生界面極化以衰減入射電磁波（圖6d）。

最后，鈷鎳合金的磁響應給予了復合材料適當的磁損耗（圖6e），這將有效地改善了阻抗匹配特性并增強了微波吸收性能。

6. CoNi-N/C-700優異的耐腐蝕性和穩定的吸波特性。

圖7.（ab）CoNi-N/C-700和CoNi-N/C-700-3的磁性實驗；CoNi -N/C-3的（c）SEM圖像，（d）TEM圖像，以及（e）元素分布，（f）在不同時間用HNO3（pH = 0）蝕刻后CoNi-N/C-700的相應電磁參數，（g）CoNi-N/C-700，CoNi-N/C-800，CoNi-N/C-900和CoNi-N/C-700-3的極化曲線。

圖8.不同時間酸處理后的CoNi-N/C-700的反射損失和有效吸收帶寬：（a，b）CoNi-N/C-700-1，（c，d）CoNi-N/C-700-2和（e，f）CoNi-N/C-700-3

【總結展望】

本次工作采用廉價易得的三聚氰胺和相應的硝酸鹽作為原材料，通過一步協同催化熱解策略成功地合成了一種設計良好的竹節狀氮摻雜碳管封裝的鈷鎳合金。實驗表明熱解溫度可以有效地調節了碳組分的石墨化度， 氮摻雜量和種類，比表面積，以及磁性成分的靜態磁性能。得益于獨特的竹節狀碳管產生的導電損耗， 氮摻雜引起的極化損耗，以及鈷鎳合金的磁響應，優化后的CoNi-N/C-700展示出了理想微波吸收劑所具有的特性，包括強反射損耗（-55.62 dB），寬吸收頻寬（4.25 GHz），薄厚度（1.45 mm）和輕質量（10 wt％），這優于大多數過渡雙金屬/碳基吸收劑。另外，由于外部碳層的限域與保護機制，所獲得的CoNi-N/C-700在極端化學環境中表現出優異的耐腐蝕性和穩定的微波吸收特性。更重要的是，這種簡單，便宜且可擴展的方法使其在未來工業應用中設計高性能且耐腐蝕的金屬/碳微波吸收器具有廣闊的前景。

【作者簡介】

陳成猛，博士，研究員，中科院山西煤化所709課題組長，中科院炭材料重點實驗室副主任，中科院石墨烯工程實驗室副主任。兼任科院青促會會員、中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟理事、IEC/TC113和SAC/TC279標委會專家等職務。主要從事儲能炭材料與器件研究工作，主持項目20余項，發表論文120余篇，授權專利22項，出版英文專著1部，主持制定國際和國家標準8項。榮獲山西省自然科學一等獎、中國產學研合作創新成果一等獎、中國化工學會技術發明獎二等獎、侯德榜化工科技青年獎、中科院北京分院“啟明星”優秀人才等榮譽。2017年入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創新35人”，2019年獲國家自然科學優秀青年基金資助。

孫國華，博士，副研究員，碩士生導師，先后獲山西省“三晉英才青年優秀人才”、太原市“高端創新型人才”、所“杰出青年人才”等稱號，以及“山西省五四青年團隊獎”。主要從事功能性炭材料的技術研發及產業化工作。先后承擔國家自然科學基金青年&面上項目、山西省科技重大專項、山西省國際科技合作基金、山西省重點研發計劃、山西省自然科學基金及地方和企業委托等項目10余項。在國內外學術刊物發表文章累計50余篇，申請專利20余項。作為審稿人，長期從事《J. Electroanal. Chem.》、《Micro. Meso. Mater.》、《J. Power Sources》、《新型炭材料》等期刊的審稿工作。

課題組網站：http://graphene.sxicc.ac.cn

課題組公眾號：Carmery-CAS

本文由中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究團隊供稿。