DOI: https://doi.org/10.1007/s42114-024-01209-6
تاريخ النشر: 2025-03-15
المؤلف: Yan Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لإنشاء هياكل ميكروية متعددة الواجهات الهرمية لإطارات المعادن العضوية (MOFs) التي تعمل كمواد فعالة لامتصاص الموجات الكهرومغناطيسية (EMW). على وجه التحديد، تفصل الدراسة تصنيع أنابيب الكربون المعدلة بالنيتروجين والكوبالت (Co-NC@CF) من خلال النمو في الموقع لرقائق ZIF-67 على رغوة الميلاتونين، تليها عملية التحلل الحراري ذاتية التحفيز. هذه الطريقة تحول بنجاح الروابط العضوية النيتروجينية إلى أنابيب كربونية مشوبة بالنيتروجين محاطة بجزيئات الكوبالت، مما يعزز الخصائص العازلة والمغناطيسية للمادة من خلال آلية فقد مزدوجة.
تظهر Co-NC@CF الناتجة قدرات مثيرة للإعجاب في امتصاص EMW، مع حد أدنى لفقد الانعكاس (RL min) قدره -51.56 ديسيبل عند سمك 2.25 مم وتردد 14.96 غيغاهرتز، تم تحقيقه مع تحميل 5% فقط من المواد المالئة. بالإضافة إلى ذلك، يصل الحد الأقصى لعرض نطاق الامتصاص الفعال (EAB max) إلى 6.88 غيغاهرتز، ممتدًا من 11.12 إلى 18 غيغاهرتز. تؤكد الدراسة على أن ضبط درجة حرارة التحلل الحراري يؤثر بشكل كبير على أداء امتصاص EMW، مما يبرز إمكانية Co-NC@CF كمرشح واعد لممتصات EMW عالية الأداء. تسهم هذه العمل في تقديم رؤى قيمة حول تصميم المواد الهرمية غير المتجانسة لتطبيقات امتصاص EMW المحسنة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الملحة للإشعاع الميكروويف الزائد في عصر 5G، والذي يشكل مخاطر على صحة الإنسان وسلامة الإلكترونيات والبيئة. للتخفيف من هذه الآثار، يعد تطوير مواد امتصاص الميكروويف الكهرومغناطيسي (EMA) الفعالة أمرًا حيويًا. يجب أن تكون هذه المواد مثالية رقيقة وخفيفة الوزن وقادرة على امتصاص مجموعة واسعة من الترددات من خلال تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى طاقة حرارية. تؤكد الأبحاث الحالية على أهمية تحسين الميكروهيكل وتركيب المواد لتعزيز تطابق الممانعة وتخفيف الموجات الكهرومغناطيسية (EMW).
لقد حظيت المواد القائمة على الكربون، مثل الجرافين وأنابيب الكربون النانوية (CNTs)، باهتمام كبير بسبب خصائصها المواتية، بما في ذلك الكثافة المنخفضة والموصلية الكهربائية العالية. ومع ذلك، غالبًا ما تعاني المواد الكربونية ذات المكون الواحد من ضعف تطابق الممانعة، مما يؤدي إلى انعكاس غير مرغوب فيه لـ EMW. لمعالجة ذلك، استكشف الباحثون المواد الهجينة التي تجمع بين آليات فقد العزل والمغناطيسية لتحقيق أداء امتصاص متفوق. تشمل الأمثلة البارزة الجرافين المؤكسد المخفض المشوب بالنيتروجين المدمج مع الفريت الكوبالت المجوف، الذي حقق فقد انعكاس مثير للإعجاب قدره -44.7 ديسيبل، وNi@C جزر نانوية على هلام الجرافين المعيب، الذي وصل إلى -48.68 ديسيبل مع تحميل مواد مالئة ضئيل.
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون مادة مركبة هرمية جديدة، Co-N codoped carbon nanotube-modified carbon foam (Co-NC@CF)، تم تصنيعها من خلال طريقة النمو في الموقع. تتميز هذه المركب بتركيب مسامي يعزز الموصلية الكهربائية وفقد الاستقطاب، مما يؤدي إلى تحسين امتصاص EMW. تظهر Co-NC@CF، التي تم تحميصها عند 800 درجة مئوية، أداءً استثنائيًا مع حد أدنى لفقد الانعكاس قدره -51.56 ديسيبل عند سمك 2.25 مم وعرض نطاق امتصاص فعال (EAB) قدره 6.88 غيغاهرتز. توفر هذه الأبحاث رؤى قيمة لتصميم مواد EMA خفيفة الوزن وعالية الأداء مع قدرات امتصاص محسنة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تشمل المواد المستخدمة رغوة الميلاتونين (MF) المستمدة من شركة Shenzhen Huafutai Foam Products Co.، Ltd.، و2-ميثيل إيميدازول المأخوذ من شركة Shanghai Macklin Biochemical Co.، Ltd. بالإضافة إلى ذلك، تم توفير نترات الكوبالت (II) سداسية الماء (Co(NO₃)₂•6H₂O) من شركة Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co.، Ltd. تم الحصول على هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) والميلاتونين (C₃H₆N₆) من شركة Sinopharm Chemical Reagent Co.، Ltd. في شنغهاي، الصين. كانت جميع المواد الكيميائية المستخدمة في التجارب من الدرجة التحليلية وتم استخدامها كما هي، دون أي تنقية إضافية.
نتائج
توضح قسم النتائج تخليق وتوصيف مركب Co-NC@CF الهرمي المصمم لتحسين امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية (EMW). تم تصنيع المركب باستخدام عملية من خطوتين تتضمن النمو في الموقع لـ ZIF-67 على هيكل رغوة الميلاتونين (MF)، تليها التحلل الحراري لإنتاج جزيئات الكوبالت وأنابيب الكربون النانوية المشوبة بالنيتروجين (CNTs). اختلف شكل المركب بشكل كبير مع درجة حرارة التحلل الحراري، حيث أدت الظروف المثلى عند 800 درجة مئوية إلى هيكل غني بأنابيب الكربون النانوية المترابطة التي سهلت تحسين الموصلية الكهربائية وقدرات امتصاص EMW.
أكدت تقنيات التوصيف مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD) على التكوين الناجح للهياكل والمراحل المطلوبة. من الجدير بالذكر أن Co-NC@CF-800 أظهرت فقد انعكاس حد أدنى ملحوظ (RL) قدره -51.56 ديسيبل عند 14.96 غيغاهرتز مع عرض نطاق امتصاص فعال قدره 6.88 غيغاهرتز، مما يشير إلى أن حوالي 99.999% من EMW الساقط يمكن امتصاصه. كما سلطت الدراسة الضوء على أهمية الهيكل المسامي للمركب ووجود أنواع النيتروجين المختلفة، التي ساهمت في تعزيز الاستقطاب الثنائي وفقد الاستقطاب بين السطوح، مما أدى إلى تحسين أداء التخفيف الكلي لـ EMW. تؤكد النتائج على إمكانية ضبط معلمات التخليق لتحسين خصائص امتصاص الميكروويف لمركبات Co-NC@CF للتطبيقات العملية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق مركب Co-N codoped carbon nanotube-modified carbon foam (Co-NC@CF) الهرمي الجديد من خلال عملية من خطوتين تتضمن النمو في الموقع لرقائق ZIF-67 على ركيزة رغوة الميلاتونين (MF) تليها التلدين. تم معالجة MF بهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) ثم غمره في محلول مسبق يحتوي على 2-ميثيل إيميدازول ونترات الكوبالت لتسهيل نمو ZIF-67. ثم تم تلدين ZIF-67@MF تحت جو نيتروجيني لإنتاج Co-NC@CF، مع اختلافات في درجة حرارة التلدين (600 درجة مئوية إلى 900 درجة مئوية) تؤدي إلى خصائص هيكلية مختلفة.
تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك تحليل Brunauer-Emmett-Teller (BET)، والمجهر الإلكتروني الماسح والناقل (SEM وTEM)، وطيف الأشعة السينية (XPS)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، لتقييم مساحة سطح المادة، والشكل، والتركيب العنصري، والبنية البلورية. تم تقييم أداء امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية (EMW) لـ Co-NC@CF باستخدام عينات حلقية محورية، مما يكشف أن Co-NC@CF-800 أظهرت قدرات امتصاص متفوقة مع حد أدنى لفقد الانعكاس (RL min) قدره -51.56 ديسيبل عند 14.96 غيغاهرتز وأقصى عرض نطاق امتصاص فعال قدره 6.88 غيغاهرتز. تبرز هذه الأبحاث إمكانية المواد الهيكلية غير المتجانسة الهرمية لتطبيقات امتصاص EMW المحسنة، مما يوفر استراتيجية فعالة من حيث التكلفة لتطوير ممتصات عالية السعة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42114-024-01209-6
Publication Date: 2025-03-15
Author(s): Yan Guo et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
The research presents a novel approach to creating hierarchical multi-heterointerfaces microstructures for metal-organic frameworks (MOFs) that serve as effective electromagnetic wave (EMW) absorbing materials. Specifically, the study details the fabrication of Co-N codoped carbon nanotube modified carbon foam (Co-NC@CF) through the in-situ growth of ZIF-67 nanosheets on melamine foam, followed by a pyrolytic self-catalyzed process. This method successfully transforms nitrogenous organic linkers into Co nanoparticle-encapsulated N-doped carbon nanotubes, enhancing the material’s dielectric and magnetic properties through a dual-loss mechanism.
The resultant Co-NC@CF exhibits impressive EMW absorption capabilities, with a minimum reflection loss (RL min) of -51.56 dB at a thickness of 2.25 mm and a frequency of 14.96 GHz, achieved with only 5 wt% filler loading. Additionally, the maximum effective absorption bandwidth (EAB max) reaches 6.88 GHz, spanning from 11.12 to 18 GHz. The study emphasizes that the tuning of the pyrolytic temperature significantly influences the EMW absorption performance, highlighting the potential of Co-NC@CF as a promising candidate for high-performance EMW absorbers. This work contributes valuable insights into the design of hierarchical heterogeneous materials for enhanced EMW absorption applications.
Introduction
The introduction highlights the pressing issue of excess microwave irradiation in the 5G era, which poses risks to human health, electronic safety, and the environment. To mitigate these effects, the development of effective electromagnetic microwave absorption (EMA) materials is crucial. These materials should ideally be thin, lightweight, and capable of absorbing a wide range of frequencies by converting electromagnetic energy into thermal energy. Current research emphasizes the importance of optimizing the microstructure and composition of materials to enhance impedance matching and electromagnetic wave (EMW) dissipation.
Carbon-based materials, such as graphene and carbon nanotubes (CNTs), have garnered significant attention due to their favorable properties, including low density and high electrical conductivity. However, single-component carbon materials often suffer from poor impedance matching, leading to undesirable EMW reflection. To address this, researchers have explored hybrid materials that combine dielectric and magnetic loss mechanisms to achieve superior absorption performance. Notable examples include nitrogen-doped reduced graphene oxide combined with hollow cobalt ferrite, which achieved an impressive reflection loss (RL) of -44.7 dB, and Ni@C nanoislands on defect graphene aerogel, which reached -48.68 dB with minimal filler loading.
In this study, the authors present a novel hierarchical composite material, Co-N codoped carbon nanotube-modified carbon foam (Co-NC@CF), synthesized through an in-situ growth method. This composite features a porous structure that enhances electrical conductivity and polarization loss, leading to improved EMW absorption. The Co-NC@CF, calcined at 800 °C, exhibits exceptional performance with an RL minimum of -51.56 dB at a thickness of 2.25 mm and an effective absorption bandwidth (EAB) of 6.88 GHz. This research provides valuable insights for designing lightweight, high-performance EMA materials with enhanced absorption capabilities.
Methods
In the experimental section of the study, the materials utilized include melamine foam (MF) sourced from Shenzhen Huafutai Foam Products Co., Ltd., and 2-methylimidazole obtained from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. Additionally, cobalt(II) nitrate hexahydrate (Co(NO₃)₂•6H₂O) was provided by Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. Sodium hydroxide (NaOH) and melamine (C₃H₆N₆) were acquired from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. in Shanghai, China. All chemicals employed in the experiments were of analytical grade and were used as received, without any further purification.
Results
The results section details the synthesis and characterization of a hierarchical Co-NC@CF composite designed for enhanced electromagnetic wave (EMW) absorption. The composite was fabricated using a two-step process involving the in-situ growth of ZIF-67 on a melamine foam (MF) skeleton, followed by pyrolysis to produce Co nanoparticles and nitrogen-doped carbon nanotubes (CNTs). The morphology of the composite varied significantly with pyrolysis temperature, with optimal conditions at 800 °C yielding a structure rich in interconnected CNTs that facilitated improved electrical conductivity and EMW absorption capabilities.
Characterization techniques such as scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray diffraction (XRD) confirmed the successful formation of the desired structures and phases. Notably, Co-NC@CF-800 exhibited a remarkable minimum reflection loss (RL) of -51.56 dB at 14.96 GHz with an effective absorption bandwidth of 6.88 GHz, indicating that approximately 99.999% of incident EMW could be absorbed. The study also highlighted the significance of the composite’s porous structure and the presence of various nitrogen species, which contributed to enhanced dipolar polarization and interfacial polarization losses, thereby improving the overall EMW attenuation performance. The findings underscore the potential of tuning the synthesis parameters to optimize the microwave absorption properties of Co-NC@CF composites for practical applications.
Discussion
In this study, a novel hierarchical Co-N codoped carbon nanotube-modified carbon foam (Co-NC@CF) was synthesized through a two-step process involving the in-situ growth of ZIF-67 nanosheets on a melamine foam (MF) substrate followed by annealing. The MF was treated with NaOH and subsequently immersed in a precursor solution containing 2-methylimidazole and cobalt nitrate to facilitate the growth of ZIF-67. The resulting ZIF-67@MF was then annealed under a nitrogen atmosphere to produce Co-NC@CF, with variations in annealing temperature (600 °C to 900 °C) yielding different structural properties.
Characterization techniques, including Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and X-ray diffraction (XRD), were employed to assess the material’s surface area, morphology, elemental composition, and crystal structure. The electromagnetic wave (EMW) absorption performance of Co-NC@CF was evaluated using coaxial ring samples, revealing that Co-NC@CF-800 exhibited superior absorption capabilities with a minimum reflection loss (RL min) of -51.56 dB at 14.96 GHz and a maximum effective absorption bandwidth of 6.88 GHz. This research highlights the potential of hierarchical heterostructured materials for enhanced EMW absorption applications, offering a cost-effective strategy for developing high-capacity absorbers.