仿生MOF/MXene吸波 | JCIS | 受生物启发的双金属ZIF衍生中空碳/MXene高效吸波复合材料

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研究速览

■ 近日，上海交通大学研究团队，在国际知名期刊Journal of Colloid and Interface Science上发表题为“Bio-inspired, bimetal ZIF-derived hollow carbon/MXene microstructure aim for superior microwave absorption”的研究论文。自然界中的生物已经进化出各种各样复杂，微妙的微观结构以实现卓越的电磁响应行为。受叶蝉网粒体的抗反射结构启发，采用双金属ZIF为前驱体，通过刻蚀、组装和碳化策略构建了具有多孔中空结构的HCoZnNC@MX复合材料。利用组分和微观结构的耦合来提高微波吸收性能。在20%的填料负载和2.92 mm的厚度下，反射损耗在7.50 GHz时达-76.40 dB。此外，有效吸收带宽可根据需要从3.55到18 GHz进行调制。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ 环境的电磁污染日益严重，对电子设备的准确运行和人身健康都造成了不利影响。为减轻和消除电磁辐射，需要设计具有理想吸收强度和宽有效吸收频带的微波吸收材料。经过亿万年发展，自然界中生物演化出的多尺度复杂精细微纳结构具有与环境相适应的优异功能特性，其中电磁响应能力尤为瞩目。例如叶蝉网粒体中独特的多孔颗粒状结构展现出超强抗反射能力，通过多次内反射有效地将电磁波困在空隙结构内，从而抑制整体反射。该特性可以增强阻抗匹配和介电损耗，可启迪开发具有增强的微波吸收特性的仿生结构。金属有机框架(MOF)热解后的衍生物不仅可以保留前驱体的微观形貌，并且展现出优异的介电-磁耦合损耗效应。尽管如此，介电损耗行为通常受到碳化策略的限制，应引入高导电成分来调节电导损耗和界面极化行为。MXene凭借其高导电性、层状结构被认为是一种具有良好的吸波应用前景的二维材料。因此，MOF衍生物与MXene纳米片的组合是提高吸波性能的有效策略。

鉴于此，上海交通大学研究团队通过在双金属MOF前驱体中创建空心核来设计多孔和空心框架结构,与MXene纳米片进行表界面组装，同时调整电磁响应行为和微观结构，整合了组分和结构两方面的优势。铁磁金属/碳框架/MXene纳米片的均匀组装产生了更多具有分层空间结构的异质界面，从而增强了极化过程，而中空结构和可调微孔有助于更好的阻抗匹配行为，使其表现出优异的电磁波吸收性能。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 作者制备了H-Co/Zn-ZIF@MX空心结构复合材料，碳化后HCoZnNC@MX模仿了叶蝉网粒体特征，保留了母体空心结构，实现了介电-磁耦合效应。

▉  研究要点2  ▉

■ 阻抗匹配和衰减能力都是提高吸波性能的重要因素。HCoZnNC@MX-800样品表现出更好的阻抗匹配行为，这是由于仿生空心结构的构造以及碳壳和MXene纳米片之间异质界面的组装所致。此外，合理的碳化策略可以通过介电损耗和磁损耗效应来调节电磁响应行为，从而促进微波的入射。

▉  研究要点3  ▉

■ 导电碳壳和剥离的MXene纳米片在低碳化温度下的导电损耗为电子沿框架迁移和跳跃提供了途径。异质组分之间的界面两侧可以积累空间电荷，作为“微电容器”结构产生强大的界面极化行为。铁磁性钴纳米粒子在该频率范围内提供有效的磁损耗行为。空心/多孔的仿生构造可以通过引入空隙和在一定程度上避免纳米复合材料的团聚来调整阻抗匹配行为。受益于成分和微观结构，仿生HCoZnNC@MX复合材料成为高性能吸波材料的有力的竞争候选者。

Part3

▉  研究总结  ▉

■ 作者采用双金属Co/Zn-ZIF作为自模板前驱体，通过化学蚀刻、静电组装、和碳化策略。设计的材料显示出增强的电磁波吸收特性，其中最小反射损耗强度在7.5 GHz时达到-76.40 dB，厚度为2.92 mm。优化的有效吸收带宽在3 mm 下到达到4.8 GHz，碳化温度为600℃。此外，通过调整1-5 mm的厚度，有效吸收带宽可以在3.55 到 18 GHz的范围内进行定制。空心/多孔微结构的构造平衡了阻抗匹配行为，并在一定程度上避免了纳米复合材料的团聚，显着提高了吸波性能。这项工作提出了一种新颖的仿生结构工程概念，为设计下一代微波吸收器提供了新思路。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.06.011