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Nano Res.│曹茂盛课题组:石墨烯包裹多腔铁酸镍作为高效的电磁衰减材料用于微波吸收和绿色屏蔽

本篇文章版权为曹茂盛课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


信息时代的不断变革促进了人类文明的快速进步,然而,由于大规模的无线通信设备的应用,电磁辐射(EMR)问题也在不断加剧。在满足军用、商用和民用电子设备需求的前提下,致力于探索高效电磁吸收和电磁干扰屏蔽材料是解决电磁辐射问题的主要策略。通常,吸波材料需要具有良好的阻抗匹配使电磁波进入到材料内部,随后通过介电损耗或/和磁损耗等电磁衰减机制,进一步转化为热量或其他能量耗散掉。而传统的电磁屏蔽材料则依靠吸收和反射实现高效的电磁屏蔽效果,优良的导电性所带来的强反射往往是实现电磁屏蔽性能这一目标的先决条件。然而,高反射会对环境造成二次电磁波辐射污染,同时,过高的电导引起的阻抗失配和高反射会降低电磁吸收性能。因此,高效的电磁吸收和绿色屏蔽性能很难同时获得。开发兼具电磁吸收和电磁屏蔽的多功能电磁衰减材料是值得我们探索和研究的。


成果简介


曹茂盛课题组将磁性铁酸镍与具有丰富电介质基因的石墨烯相结合,作为兼并电磁吸波和电磁屏蔽特性的多功能材料。柔性石墨烯互相搭叠,构建局域电导网络改善电子输运特性的同时,提供丰富的缺陷和官能团,产生多重极化弛豫,优化复合材料的介电常数。通过磁共振和磁涡流,磁性铁酸镍提供的磁损耗能力进一步加强电磁特性,增强复合材料的电磁波衰减能力。铁酸镍的多腔结构增加了电磁波的散射和反射位点,扩展电磁波的传播路径。石墨烯与铁酸镍之间丰富的非均匀界面,引起电荷不对称分布,形成有效的界面极化和弛豫。在电磁场作用下,利用磁-介电协同效应以及材料的结构特性,优化材料的阻抗匹配,强化电磁衰减能力,赋予石墨烯包裹的多腔铁酸镍高效的电磁波吸收性能和以吸收为主的绿色屏蔽性能。此外,为了探索多功能材料的更多可能性,小组对复合材料进行了电化学性能评估。石墨烯包裹的多腔结构铁酸镍复合材料对析氢反应(HER)和析氧反应(OER)均表现出良好的电催化活性,这归因于复合材料组分与结构的双重优势。复合材料所配置的导电网络有利于电催化反应中的电荷输运,多腔结构暴露出更丰富的活性位点进一步优化催化性能。该研究为兼备多功能电磁吸波特性、生态友好型EMI屏蔽特性和电催化析氢析氧特性的多功能材料的开发提供参考。


图文导读


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图1.(a)NiFe2O4-G的制备过程示意图;(b)-(d)NiFe2O4和NiFe2O4-G的形貌的SEM图像;NiFe2O4和NiFe2O4-G的XRD(e)和Raman(f)谱图。


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图2. NiFe2O4-G与石蜡不同填充浓度的复合材料电磁参数(a)介电实部;(b)介电虚部;(c)介电损耗角正切值;(d)磁实部;(e)磁虚部;(f)磁损耗角正切值;(g)反射;(h)透射。


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图3.(a)-(c)柯尔-柯尔曲线;(d)磁涡流;(e)衰减常数;(e)阻抗匹配。


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图4. NiFe2O4-G与石蜡不同填充浓度的复合材料的电磁吸收性能。


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图5. (a)-(c)不同填充浓度样品的电磁屏蔽性能。插图:介质损耗(b)和电磁波入射、反射(c)的示意图;所有样品在2-18GHz范围内的A(d)、R (e)和T(f);在2-18GHz范围内电磁屏蔽性能的最大值(g)和平均值(h)评估图;(i)绿色屏蔽指数。


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图6. 石墨烯包裹的多腔镍铁氧体包含多种电磁损耗机制,如导电损耗、介电损耗、磁损耗、多重反射和散射等。调节填充浓度可以改变电磁吸收和EMI屏蔽的高效多功能性能。


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图7.NiFe2O4和NiFe2O4-G的HER极化曲线(a)和OER极化曲线(d);(b)和(e)分别为NiFe2O4和NiFe2O4-G在析氢反应和析氧反应的Tafel曲线;(c)-(f)NiFe2O4和NiFe2O4-G在析氢反应和析氧反应中的Nyquist图。


作者简介


论文共同第一作者为北京理工大学博士生王禹畅和博士生姚利花,通讯作者为北京理工大学曹茂盛教授。研究团队关注低维材料的电磁屏蔽和微波吸收特性、电催化析氢反应和电催化析氧反应、锂离子电池等电化学储能材料方面的关联研究。曹茂盛课题组在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Optical Mater., Carbon, Appl. Phys. Lett.等高影响力学术期刊发表SCI论文300多篇,H指数82,总被引次数超过25,000次,其中,ESI高被引论文超过40篇次,ESI热点引论文超过10篇次。曹茂盛教授连续入选“Clarivate Highly-Cited Researcher”和“Highly-Cited Author of RSC and Elsevier”以及荣获“IOP Top-Cited Author Award”。
Email:caomaosheng@bit.edu.cn


文章信息


Y. Wang, L. Yao, Q. Zheng, et al. Graphene-wrapped multiloculated nickel ferrite: A highly efficient electromagnetic attenuation material for microwave absorbing and green shielding. Nano Research. 2022, 15 (7): 6751-6760. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4428-x.

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