Nano Res.[碳]│青岛大学吴广磊教授课题组：层级多孔碳化钼协同形貌工程实现超宽多频段微波吸收
作者：Nano Research 2024-10-14
本篇文章版权为吴广磊课题组所有，未经授权禁止转载。
随着电子信息技术的迅猛发展，以电磁波（EMWs）为信息载体的智能电子设备已广泛应用于各个领域，特别是5G的普及和人工智能的出现给人类的生活方式带来了翻天覆地的变化。然而，由此产生的高密度电磁波在个人医疗保健、信息安全和军事隐形领域一直是一个严重的安全威胁，这就需要探索高效、轻质、灵活的多功能微波吸收材料，以应对电磁波在宽频率范围内的污染和干扰。遗憾的是，传统微波吸收材料受限于性能和样品形式，存在吸收频段窄且单一，功能单一，难以匹配实际应用场景等关键问题。难以满足现代电子通信技术、高精密设备和军事装备在复杂电磁环境下的抗干扰需求。因此，设计多功能、多频段的高效电磁波吸收器仍然是一个巨大的挑战。
青岛大学吴广磊教授课题组 报道了一种基于层级多孔碳化钼多重肖特基异质界面的多维度组分复合材料在电磁波吸收方面的应用。
本工作通过冷冻干燥、高温热解和洗涤的盐熔法策略，制备了具有三维多孔结构的多孔碳化钼复合材料作为基体。通过进一步的水热法在其表面修饰了不同生长水平的二硫化钼。通过多方面的表征以及三电极系统和电磁参数测试，深入探讨了结构对阻抗匹配性能的关键优化。一方面，该策略实现了3D@0D@2D多维复合，更关键的是引入了多个肖特基势垒。结果表明，二硫化钼纳米片的负载会通过改变表面形态对阻抗匹配性能产生显著影响。由于多重损耗机制和阻抗匹配，制备的MS/MC/PNC-2复合材料的微波吸收性能得到改善。通过厚度调制，MS/MC/PNC-2复合材料在X和Ku波段都表现出卓越的反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB）。具体来说，这种多维复合材料的RL值为-55.3 dB（2.4 mm），EAB值为7.60 GHz（2.0 mm），更重要的是，它还具有海洋防腐特性，能有效处理复杂的电磁环境。这项工作为探索多功能、多波段高效微波吸收器的设计提供了重要启示。
图1 (a)：MS/MC/PNC-x 的制备示意图；(b-e)：MS/MC/PNC-x、MC/PNC和MS的XRD、拉曼、TGA和XPS光谱；(f-i)：MS/MC/PNC-2的Mo 3d、S 2p、C 1s和N 1s XPS光谱。
MC/PNC较好的对应于密排六方β相Mo 2 C 。它表现出最尖锐和最强的特征峰，表明零维碳化钼纳米点的结晶度更好。此外在MS中代表MoS 2 的较宽且较弱的特征峰可被检测到。随着包覆在MC/PNC表面的MoS 2 薄片的生长，多维复合材料的XRD同时呈现出Mo 2 C 和MoS 2 的特征峰，有力地证明了MS/MC/PNC-x系列的制备是成功的。多维组分具有更多的异构界面，有助于引入更多的界面极化弛豫以辅助EMW衰减过程。值得注意的是，随着MoS2 片层负载的增加，Mo2 C的特征峰逐渐减小，这是由于MC/PNC基体被包覆程度的增加所致。在拉曼光谱和热重分析中也可得到类似的结果。X射线光电子能谱可以更准确、深入的分析材料表面的的元素组成和化学状态，进一步证实了MS/MC/PNC多维复合材料的成功制备。
图2 (a) MS/MC/PNC-x的微观形态示意图；(b1 -b2 )、(c1 -c2 )、(d1 -d2 )、(e1 -e2 ) MC/PNC和MS/MC/PNC-x的SEM图像；(f) MS/MC/PNC-2的SAED图像。 MS/MC/PNC-x的表面结构受到MoS2 纳米片负载量增加的显著影响。通过适当的修饰程度，MoS2 薄片垂直于MS/MC/PNC-2多孔骨架的内外表面均匀而紧凑地生长，形成与有序三维阵列相似的结构，同时较好地保留了MC/PNC的多孔结构。同时相应的EDS图谱揭示了S、Mo、C、N和O元素的均匀分布，表明MS/MC/PNC-2复合材料的合成成功。
图3 (a1 -a2 )、(b1 -b2 )、(c1 -c2 )、(d1 -d2 )：MC/PNC、MS/MC/PNC-1、MS/MC/PNC-2和MS/MC/PNC-3的TEM图像；(e-g)、(h)：MS/MC/PNC-2的HRTEM图像和SAED图像；(i)：肖特基势垒示意图。 MS/MC/PNC-2表面粗糙，MoS2 薄片均匀紧密地堆积在MC/PNC多孔骨架的孔壁上，实现了2D和3D结构的完美结合。构建由半导体和金属组合组成的肖特基异质界面是一种很有前途的策略。由于半导体功函数（Ws）与金属功函数（Wm）不同，因此它们的接触界面会发生能带弯曲，从而形成肖特基势垒。肖特基势垒可以在MoS2 和碳或Mo2 C纳米点之间形成。在MS/MC/PNC-2的TEM照片中，可以观察到Mo2 C纳米点在具有MoS2 薄片的PNC骨架上的均匀分散。层状MoS2 同时覆盖并接触PNC和Mo 2 C 纳米点，证明了PNC-MoS2 -Mo2 C多层肖特基势垒的成功制备。势垒和界面的设计有利于EMWs的衰减，为提高EMWs的衰减能力奠定了基础。
图4各个样品的阻抗Z（a1 -d1 ）、二维RL（a2 -d2 ）和三维RL（a3 -d3 ）图像。 根据线路传输理论计算得到RL和EAB，可以直观地评估MS/MC/PNC-x系列材料的EMW吸收性能。结合MS/MC/PNC-2的良好衰减能力和出色的阻抗匹配，它在更薄的厚度下表现出低RLmin （−55.30 dB，2.4 mm）和最宽的EABmax （7.60 GHz，2.0 mm）。
图5. (a) MS/MC/PNC-x的形貌和电磁波吸收示意图；(b) MS/MC/PNC-2的1/4波长模型；(c) MS/MC/PNC-2在不同厚度下的电磁波吸收性能；(d) 各样品RLmin 、EABmax 与匹配厚度的比较；(e-f) 各样品的OCP曲线和Tafel曲线。 值得注意的是，对于Ku波段（12-18 GHz），MS/MC/PNC-2在厚度为2.0 mm和2.1 mm时，相应的EAB可以分别覆盖100%和80%。此外，对于X波段（8-12 GHz），在厚度为2.6 mm、2.7 mm和2.8 mm时，其相应的EAB分别覆盖92%、100%和94%。结果表明，MS/MC/PNC-2表现出多波段吸收。MS/MC/PNC-2卓越的EMW吸收性能得益于衰减能力和阻抗匹配的协同作用。且与MC/PNC相比，MS/MC/PNC-x的EABmax 和RLmin 都有不同程度的增强，这可以作为3D@0D@2D多维组件复合策略成功的有力支持。
吴广磊 ，本文通讯作者，青岛大学教授，主要研究 领域： 核壳结构的高分子纳米复合材料在介电击穿及热管理领域中的应用； 纳米材料在电磁屏蔽、吸波方向的应用以及纤维织物多功能应用。 近年来，课题组围绕复合材料开展了包括生物质碳、MXene、MOF等材料的吸波性能或电介质绝缘优化工作。 吴广磊 教授，山东省泰山学者青年专家，山东省优青，山东省高等学校青创人才引育计划团队“结构-功能高分子复合材料研究创新团队”负责人，青岛大学第二层次特聘教授。作为项目负责人，已主持包含国家自然科学基金面上项目、泰山学者青年专家项目、山东省高等学校青创人才引育计划团队项目、山东省省优秀基金项目等纵向科研项目13项；主持工程电介质教育部国家重点实验室开放课题重点项目1项；主持产学研横向项目3项；参与国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金委面上项目和国防科工局横向项目等多项科研课题。至今在Nat. Commun, Adv Funct Mater, J. Mater. Chem. A., Chem. Eng. J.,Small, Carbon, J. Mater. Sci. Technol .等发表高水平科研论文300余篇，其中以第一或通讯作者发表高水平科研论文200余篇，其中影响因子大于10的SCI论文130余篇，高被引ESI论文30余篇，杂志封面论文2篇，SCI他引共计23000余次，H指数96，i10指数260；授权国家发明专利5项；入选2022年和2023年爱思唯尔“中国高被引学者”；连续多年入选全球前2%顶尖科学家榜单及全球顶尖前10万科学家榜单；担任Int. J. Miner. Metall. Mater. 杂志编委及学科编辑、SusMat首届青年编委、Nano Research 青年编委和Nano-Micro Letters 青年编委。 Email:wuguanglei@qdu.edu.cn/wuguanglei@mail.xjtu.edu.cn 个人主页：http://clxy.qdu.edu.cn/info/1060/2870.htm
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