IF 23.2！Co-N 共掺杂碳纳米管的自催化生长用于多级碳质微波吸收器中的先进多异质界面工程

本文精选

近年来，分层多异接口微结构的合理构建正成为一种极具吸引力的策略，以获得轻质和优异的金属有机框架 （MOF） 基电磁波 （EMW） 吸收材料。本文通过在三维 （3D） 三聚氰胺泡沫 （MF） 表面简单原位生长 ZIF-67 MOF 纳米片，然后采用热解自催化过程，制备了具有多异界面的分层 MOF 衍生的 Co-N 共掺杂碳纳米管改性泡沫碳 （Co-NC@CF），其中 ZIF-67 的含氮有机接头成功转化为 Co 纳米颗粒封装的 N 掺杂碳纳米管。除了电介质-磁双重损耗机制的协同效应外，Co-NC@CF的分层异质和多孔结构还表现出良好的阻抗匹配、多极化损耗以及多重反射和散射。此外，众多的 N 掺杂原子和缺陷对于增强界面/偶极极化至关重要，从而增强 EMW 耗散性能。因此，通过改变热解自催化 Co-N 共掺杂碳纳米管 （CNT） 的温度，可以有效地调节所制备的 Co-NC@CF 的 EMW 吸收性能，并且在 800 °C 下煅烧的 Co-NC@CF （Co-NC@CF-800） 显示出最强的 EMW 吸收能力，在 14.96 GHz 下厚度为 2.25 mm 时，最小反射损失 （RLmin） 值为 - 51.56 dB，填料负载仅为 5 wt%， 最大有效吸收带宽 （EABmax） 也达到 6.88 GHz，范围为 11.12 至 18 GHz。这些优异的电磁性能可以使 Co-NC@CF 成为高性能 EMW 吸收材料的有前途的候选材料，这项工作将或多或少地为未来多级异质吸收材料的设计提供灵感。

创新点

1. 提出了一种通过热解自催化过程在三聚氰胺泡沫表面原位生长Co-N共掺杂碳纳米管，制备具有多异界面的分层MOF衍生微波吸收材料。

2. 利用ZIF-67的含氮有机接头转化为Co纳米颗粒封装的N掺杂碳纳米管，实现了电介质-磁双重损耗机制的协同增强。

3. 通过调控热解温度优化Co-NC@CF的电磁波吸收性能，在800°C下获得最小反射损失-51.56 dB和宽有效吸收带宽6.88 GHz。

4. 设计了具有分层异质和多孔结构的Co-NC@CF，仅需5 wt%填料负载即可实现优异的微波吸收能力，体现了轻质化的创新。

对科研工作的启发

1. 本研究展示了一种通过自催化生长制备多异质界面的新方法，为设计高效微波吸收材料提供了创新思路。

2. 通过调控热解温度优化材料性能的策略，可启发其他基于MOF的材料在性能调谐上的研究。

3. 多级分层结构的构建方法为探索轻质、高效电磁波吸收材料开辟了新的实验方向。

4. Co-N共掺杂碳纳米管的成功转化表明，氮掺杂和缺陷工程在提升材料功能性方面的潜力值得深入挖掘。

思路延伸

1. 可以尝试将其他金属有机框架（如ZIF-8或MIL系列）与不同掺杂元素结合，探索更广泛的微波吸收性能。

2. 通过引入其他纳米结构（如石墨烯或MXene）与Co-NC@CF复合，进一步提升材料的电介质和磁损耗协同效应。

3. 研究不同热解条件（如气氛或时间）对碳纳米管形貌和界面极化的具体影响，优化制备工艺。

4. 将多级异质界面设计理念扩展到其他功能材料，如催化剂或储能材料，探索其普适性。

5. 开发基于Co-NC@CF的柔性复合材料，用于可穿戴电子设备的电磁屏蔽。

6. 结合仿真技术，深入分析多重反射和散射机制对微波吸收的具体贡献。

7. 探索Co-NC@CF在超高频段（如毫米波）的吸收性能，以适应5G/6G通信需求。

生物医学领域的应用

1. Co-NC@CF的多孔结构可作为药物载体，用于靶向传递和控制释放，提高药物疗效。

2. 其优异的电磁波吸收性能可用于开发生物医学成像设备中的电磁屏蔽材料，减少干扰。

3. 通过表面功能化，Co-NC@CF可用于光热治疗，利用其吸收特性在特定波段产生局部热效应。

4. 结合生物相容性改性，这种材料可用于制造植入式传感器，监测体内电磁信号。

5. 基于其缺陷和掺杂特性，Co-NC@CF可作为生物传感器基底，用于检测生物分子或疾病标志物。

Self-catalyzed growth of Co–N codoped carbon nanotubes for advanced multi-heterointerface engineering in hierarchical carbonaceous microwave absorbers

Adv. Compos. Hybrid Mater.（IF 23.2）

Pub Date  : 2025-03-15

DOI : 10.1007/s42114-024-01209-6

Yan Guo , Hongsen Long , Ziqi Wang , Shijun Luo , Lei Xu , Chuntai Liu , Changyu Shen , Hu Liu

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