先進(jìn)電子設(shè)備和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展給人們的生活帶來了極大的便利，但也產(chǎn)生了不可忽視的電磁輻射污染。這種污染會(huì)對(duì)周圍電子元件的正常工作造成嚴(yán)重干擾，降低信息安全和通信質(zhì)量，危害人體健康。開發(fā)先進(jìn)的電磁波（EMW）吸波材料是解決這一問題的有效途徑之一。碳基材料由于其密度低、官能團(tuán)豐富、電性能可調(diào)等特點(diǎn)，在電磁波吸收方面具有良好的前景。膨脹石墨（EG）作為三維（3D）碳骨架材料，不僅具有高導(dǎo)熱/導(dǎo)電性、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而且其特殊的蜂窩狀結(jié)構(gòu)有利于電磁波的多次反射和增強(qiáng)吸收。然而，由于單組分EG的阻抗匹配較差，很難獲得強(qiáng)的EMW衰減，因此，如何平衡具有高電磁波吸收性能的碳材料的阻抗匹配特性是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。
針對(duì)上述問題，昆明理工大學(xué)研究人員提出了一種通過晶體/非晶異質(zhì)界面和陽離子缺陷來調(diào)節(jié)碳基吸收材料的阻抗匹配的策略。采用微波溶劑熱法在3D碳基體（EG）上原位生長CuCo2S4，成功制備了3D花蜂窩狀CuCo2S4@EG異質(zhì)結(jié)構(gòu)（CEG）。這種特殊的3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提供豐富的異質(zhì)界面和缺陷，可以有效調(diào)節(jié)碳基材料的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)電磁波的多重衰減。該材料在1.4 mm處實(shí)現(xiàn)了Ku波段的有效吸收，最丶低反射損耗值（RLmin）為-72.28 dB，有效吸收帶寬為4.14 GHz，而填料負(fù)載量僅為7.0 wt.%。
圖1. （a） Cu 箔、CEG-6 和 CuO 的 Cu-K邊歸一化XANES 光譜。（b）Cu 箔、CEG-6 和 CuO 的 Cu-K邊的 FT-EXAFS 光譜。（c）k 空間中Cu CEG-6 的 EXAFS 擬合曲線。（d）R空間中Cu CEG-6的EXAFS擬合曲線。（e）Cu-K邊的小波變換圖。
作者利用臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀easyXAFS300分析了CEG材料中 Cu （圖1）和 Co （圖2）原子的配位環(huán)境。 如X射線吸收近邊光譜（XANES）（圖1a和圖2a）所示，擬合結(jié)果表明CEG中Cu和Co的價(jià)態(tài)分別為+2和+3，與XPS的結(jié)果一致。 CEG的k3加權(quán)擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）光譜的傅里葉變換（FT）顯示在約1.8 ?處有一個(gè)主峰（圖1b和圖2b），該主峰被指認(rèn)為Cu- S 和 Co-S 鍵。CEG材料在k和R空間中的擬合結(jié)果分別如圖1c、d和圖2c、d所示。擬合表明CEG中Cu-S和Co-S的配位數(shù)約為3.2和2.9，Cu-S和Co-S的平均鍵長分別為2.28?和2.26?。隨后，作者進(jìn)行了小波變換 (WT)-EXAFS 分析。 CEG材料中未檢測(cè)到 Cu-Cu、Cu-O 和 Co-Co 鍵的 WT 信號(hào)（圖1e 和圖2e）。 Cu和Co的WT等值線圖中只有一個(gè)最大強(qiáng)度，約為5.5 ?和8.0 ?，分別對(duì)應(yīng)于Cu-S和Co-S的配位。上述分析表明，CEG材料中每個(gè)Cu和Co原子與約3個(gè)S原子配位，低于CuCo2S4（Fd-3m）標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。XAFS結(jié)合其他表征手段分析表明 CEG 中存在 Cu 和 Co 陽離子缺陷，而此類金屬陽離子缺陷的存在一般來說會(huì)破壞電荷平衡并影響材料內(nèi)的電子傳輸。
圖2. （a） Co 箔、CEG-6 和 Co3O4 的 Co-K邊歸一化XANES 光譜。（b）Co 箔、CEG-6 和 Co3O4 的 FT-EXAFS 光譜。（c）k 空間中Co CEG-6 的 EXAFS 擬合曲線。（d）R空間中Co CEG-6的EXAFS擬合曲線。（e）Co-K邊的小波變換圖。
這項(xiàng)工作闡明了CuCo2S4@EG EMW吸收劑的內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，并為高性能3D碳基吸收材料的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了簡單有效的策略，以“Synthesis of CuCo2S4@Expanded Graphite with crystal/amorphous heterointerface and defects for electromagnetic wave absorption"為題發(fā)表于國際期刊Nature Communications. 本文所使用的臺(tái)式X射線吸收譜儀系統(tǒng)easyXAFS300是由美國easyXAFS公司研發(fā)的，如圖3所示。該裝置得益于特殊的單色器設(shè)計(jì)，無需同步輻射光源，可以在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)X射線吸精細(xì)結(jié)構(gòu)譜XAFS測(cè)試，獲得媲美同步輻射光源的優(yōu)質(zhì)譜圖，用于分析材料的元素價(jià)態(tài)、化學(xué)鍵、配位結(jié)構(gòu)等全面信息。該臺(tái)式設(shè)備幫助廣大科研人員擺脫對(duì)同步輻射X射線光源的依賴，極大地提高了XAFS表征技術(shù)在能源、催化、環(huán)境等各領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用。該設(shè)備已幫助國內(nèi)外用戶取得大量優(yōu)秀的科研成果，發(fā)表于J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nat. Commun.等期刊。
圖3. 美國臺(tái)式X射線吸收譜儀系統(tǒng)easyXAFS300
參考文獻(xiàn)：
[1]. Synthesis of CuCo2S4@Expanded Graphite with crystal/amorphous heterointerface and defects for electromagnetic wave absorption. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41697-6)
https://doi.org/10.1038/s41467-023-41697-6
更新時(shí)間：2024-03-08
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