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河北工大《Carbon》：新型輕質(zhì)復(fù)合材料的可控合成及吸波性能！

2021-07-21 13:56:35 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

隨著電子信息時(shí)代的到來，由電磁輻射引起的電磁干擾和污染問題變得愈發(fā)嚴(yán)重。因此，開發(fā)一種理想的微波吸收材料成為了科研領(lǐng)域中的一項(xiàng)熱點(diǎn)問題。為了解決電磁輻射和電磁干擾，許多研究人員進(jìn)行了各種嘗試。一般來說，最常見的微波吸收材料主要由介電損耗材料和磁損耗材料兩部分組成。一種常見的合成方法是將輕質(zhì)碳基材料（石墨烯、碳納米管和碳纖維）與金屬磁性材料（鐵和鐵氧體）結(jié)合，通過調(diào)整復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率來提高微波吸收性能。

雖然石墨烯復(fù)合吸波材料的研究給我們帶來了一定的成功，但是依然存在一些問題。石墨烯是一種零帶隙的半導(dǎo)體，并且本身不具有優(yōu)異的微波吸收能力。同時(shí)石墨烯的介電常數(shù)大，當(dāng)電磁波接觸其表面時(shí)，很容易引起強(qiáng)反射。這種強(qiáng)反射勢必會(huì)影響復(fù)合材料的吸波性能，于是我們創(chuàng)新性的使用石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）來代替石墨烯。與此同時(shí)，氮化硼納米片（BNNs）對電磁波的反射能力較弱，同時(shí)具有熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等優(yōu)良特性，且在電磁波吸收領(lǐng)域已有一些研究。將GQDs與超薄BNNs相結(jié)合，得到了輕質(zhì)GQDs/BNNs復(fù)合材料，其阻抗匹配率和穩(wěn)定性均得到增強(qiáng)。

近日，來自河北工業(yè)大學(xué)的胡琦等人根據(jù)GQDs和BNNs各自的性能特點(diǎn)，采用一步水熱法設(shè)計(jì)并制備了不同負(fù)載量的GQDs/BNNs復(fù)合材料。研究了樣品中GQDs濃度對復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的影響并測試了GQDs/BNNs的反射損耗（RL）、衰減常數(shù)（α）、阻抗匹配率（Zin）等參數(shù)，比較了GQDs中自由載流子濃度與微波吸收性能之間的關(guān)系。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，GQDs濃度的增加有利于材料微波吸收強(qiáng)度的提高。S9的RL值達(dá)到了-59.9 dB且吸收頻率范圍也達(dá)到了2.1~18 GHz。當(dāng)吸收頻率進(jìn)一步增加到19~27 GHz和28~40 GHz時(shí)，S9的RL也小于-10 dB。這些結(jié)果表明GQDs作為微波吸收劑使用性能非常優(yōu)秀。同時(shí)，BNNs的引入不僅可以改善GQDs在12~17.5 GHz頻率下的微波吸收性能，而且可幫助GQDs克服親水性。此項(xiàng)工作可為隨后的微波吸收材料的開發(fā)提供新的思路。

圖1. GQDs的（a） TEM, （b） HRTEM和（c） AFM圖像；（d） GQDs水溶液的光致發(fā)光光譜（激發(fā)波長為450 nm）；（e） 1是自然光照射下的GQDs，2是紫外線（365 nm）照射下的GQDs。

從圖1（a-c）的TEM圖像和AFM圖像中可清楚的看到GQDs的分布和尺寸，GQDs的平均大小約為2-5 nm，晶面間距約為0.24 nm。在波長為450 nm的激發(fā)光下，GQD的發(fā)射波長為545 nm，在自然光下呈現(xiàn)淺棕色，在365 nm紫外燈照射下為黃色（圖1d-e）。

圖2. 不同濃度的GQDs與BNNs復(fù)合樣品的TEM和Mapping圖像（a, b） S1 （c） S3 （d） S9。

根據(jù)TEM圖像所示（圖 2），不同濃度的GQDs均勻的分散BNNs在表面。隨著石墨烯量子點(diǎn)的濃度不斷增加，負(fù)載量也隨之增加（圖2b和c）。從圖4d中可以看到，S9樣品中BNNs與GQDs的比例增加到1:9時(shí)，BNNs的表面存在大量 GQDs。當(dāng)GQDs濃度繼續(xù)增加負(fù)載量會(huì)達(dá)到飽和。同時(shí)S9中B、C和N的分布可從圖2e-h中獲得，也證實(shí)GQDs是均勻負(fù)載在超薄BNNs上。

圖3. （a） BNNs、GQDs和S9的FT-IR光譜（b, c）二維和三維GQDs的RL圖。

圖3a為BNNs、GQDs、S9在500~4000 cm-1 處的 FT-IR 光譜。B-N-B（~803 cm-1）和B-N （~1360 cm-1）兩處的峰是BNNs的特征峰，-OH的吸收峰處于3000cm-1 到3700 cm-1。在1623cm-1 處的峰代表GQDs中C=C伸縮振動(dòng)。B-O（~1023 cm-1）、B-C（~1015 cm-1）、C-N（~1630 cm-1）為GQDs/BNNs的特征峰，這進(jìn)一步說明GQDs已成功與BNNs復(fù)合。如圖3b-c 所示，GQDs的RL值在2.5~12GHz范圍內(nèi)不斷升高，顯示出良好的微波吸收性能（RLmin = -54.3 dB）。然而，GQDs的RL值在12~17.5GHz的頻率范圍內(nèi)RL < -10 dB，不能滿足微波吸收材料的基本標(biāo)準(zhǔn)。因此，保持2.5~12 GHz范圍內(nèi)GQDs的微波吸收性能同時(shí)增強(qiáng)12~17.5 GHz 頻率范圍內(nèi)的微波吸收強(qiáng)度便成為后續(xù)研究的重點(diǎn)。

【文章信息】

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

【作者介紹】

論文的第一作者為河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院/河北省微納氮化硼材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生胡琦，導(dǎo)師是唐成春教授和房毅副教授。

【課題組介紹】

河北工業(yè)大學(xué)氮化硼材料研究中心（主任：唐成春教授）依托材料物理與化學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科、河北省微納氮化硼材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和六方氮化硼制備及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，致力于微納結(jié)構(gòu)氮化硼基新材料的綠色合成、性能探索以及應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究，研究涉及導(dǎo)熱、污染物吸附、吸透波、催化及光催化等應(yīng)用方向。近年來，先后承擔(dān)國家、省市級科研項(xiàng)目40余項(xiàng)，共獲得省部級獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)，獲得授權(quán)專利100余項(xiàng)。課題組主頁：http://www.nanobn.cn/zh/

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