先進電子設(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。這種污染會對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、官能團豐富、電性能可調(diào)等特點，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，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吸收。然而，由于單組分EG的阻抗匹配較差，很難獲得強的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。
針對上述問題，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，實現(xiàn)電磁波的多重衰減。該材料在1.4 mm處實現(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的價態(tài)分別為+2和+3，與XPS的結(jié)果一致。 CEG的k3加權(quán)擴展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，作者進行了小波變換 (WT)-EXAFS 分析。 CEG材料中未檢測到 Cu-Cu、Cu-O 和 Co-Co 鍵的 WT 信號（圖1e 和圖2e）。 Cu和Co的WT等值線圖中只有一個最大強度，約為5.5 ?和8.0 ?，分別對應(yīng)于Cu-S和Co-S的配位。上述分析表明，CEG材料中每個Cu和Co原子與約3個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，無需同步輻射光源，可以在常規(guī)實驗室環(huán)境中實現(xiàn)X射線吸精細(xì)結(jié)構(gòu)譜XAFS測試，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態(tài)、化學(xué)鍵、配位結(jié)構(gòu)等全面信息。該臺式設(shè)備幫助廣大科研人員擺脫對同步輻射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. 美國臺式X射線吸收譜儀系統(tǒng)easyXAFS300
參考文獻：
[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
更新時間：2024-03-08
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