中空多壳层结构在电磁波领域中的应用

doi:10.7503/cjcu20200754

摘要/Abstract

摘要：

中空多壳层结构(HoMSs)是一种以纳米颗粒为结构单元构筑而成的具有多界面、多维度的微纳米级宏观组装体, 具有次序排列的多个壳层及相互连通的多个空腔, 被认为是电磁波领域极具应用前景的功能材料. 本文主要从电磁波捕获、传输及能量转换3个角度详细阐述HoMSs在电磁波领域应用中的独特优势, 浅析了HoMSs壳层数目、壳层厚度、壳层间距、壳层组成等结构参数对电磁波传输与利用的影响规律, 并预测了HoMSs在电磁波领域的发展趋势, 以期为实现电磁波的高效利用提供参考.

关键词: 电磁波, 中空多壳层结构, 捕获与传输, 能量转换, 结构参数

Abstract:

Hollow multishell structures（HoMSs） are considered to be a promising material in electromagnetic field due to its ordered porous shells and independent and interconnected cavities separated by shells. In this paper， the unique advantages of HoMSs in the field of electromagnetic wave are elaborated in detail from three aspects： electromagnetic wave capture， transmission and energy conversion. At the same time， the influence of shell number， shell thickness， shell spacing， shell composition and other structural parameters on the transmission and utilization of electromagnetic wave is analyzed， and the development trend of HoMSs in the field of electromagnetic wave is predicted， which provides the direction for the efficient utilization of electromagnetic wave.

Key words: Electromagnetic wave, Hollow multishell structure, Capture and transmission, Energy conversion, Structural parameter

中图分类号:

O613

TrendMD:

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图/表 9

Table 1 Classification and application of electromagnetic waves

Electromagnetic wave	Wavelength/nm	Frequency/Hz	Application
Radio waves	>1000	<3×10¹¹	Communications, radar
Infrared light	760—1000	10¹²—3.9×10¹⁴	Photothermal therapy, thermal imaging
Visible light	390—760	3.9×10¹⁴—7.5×10¹⁴	Photocatalysis, solar cell
Ultraviolet light	10—400	7.5×10¹⁴—5×10¹⁶	Sterilization, photoelectric detection
X?Ray, γ ray, etc.	<10	>5×10¹⁶	Bioimaging, crystal analysis, medical treatment

Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic wave incidence, propagation and energy conversion in HoMSs(A), diagram of electromagnetic wave energy dissipation(B) and diagram of electromagnetic wave energy storage and conversion(C)

Fig.2 SEM image of DHRSF(A), impedance matching ratio curves of RCF and DHRSF(B)[31], relative input impedance(|Zin/Z0|) curves of single?shell Ni nanoparticles/graphite carbon/nanoporous carbon(S1) and double?shell NiCo nanoparticles with different Ni/Co ratios/graphite carbon/nanoporous carbon(S2: Ni2Co1, S3: Ni1Co1, S4: Ni1Co2)(C) and the electromagnetic wave reflection loss with various thicknesses for Ni1Co2/GC/NPC HoMSs(D)[21](A, B) Copyright 2019, American Chemical Society.(C, D) Copyright 2020, Elsevier B.V.

Fig.3 TiO2?CuxO HoMSs(TCHoMSs) and CeO2?CeFeO3 HoMSs(CFHoMSs) sequential absorption three?dimensional model(A), UV?Vis absorption spectra of TCHoMSs with different shell numbers and apparent quantum efficiency(red diamonds) of 4S?TCHoMSs at different wavelengths(B), UV?Vis absorption spectra of 3S?CFHoMSs, CeO2 HoMSs and the corresponding samples with surface defect control(C), hydrogen evolution activity and oxygen evolution activity of TCHoMSs and CFHoMSs related samples(D)[35]Copyright 2020, Oxford University Press.

Fig.4 Optical path within different types of ZnO samples and corresponding schematic drawings for the multiple reflection of light within ZnO nanoshell? and film?based devices(A)[19], a microwave pathway illustration of the PEDOT solid structure(1), PEDOT hollow structures(2), double?shelled PEDOT hollow structures(3) and triple?shelled PEDOT hollow structures(4)(B)[37], comparison of photocatalytic activities of ZnO hollow spheres with different morphologies(C)[38], CeO2 HoMSs photocatalytic oxygen evolution reaction efficiency and electromagnetic wave multi?reflections model diagram(D)[40](A) Copyright 2018, Wiley?VCH.(B) Copyright 2014, Royal Society of Chemistry. (C) DEHs: double?yolk egg structures; SEHs: single?yolk egg structures; SHs: single?shelled hollow spheres. The insets show a schematic illustration of the light multi?re?ections within all three structures. Copyright 2012, Wiley?VCH. (D) Copyright 2014, Royal Society of Chemistry.

Fig.5 Reflection loss curves of HCS?Mn?2.0 with different thicknesses in the frequency range of 2—18 GHz(A)[43], scheme of microwave attenuation process in yolk?shell Fe3O4@C@MnO2 absorber(B)[44], FESEM image of the double?shelled Fe3O4@SnO2 yolk?shell microspheres and high?magni?cation FESEM image of a broken microsphere(inset)(C), microwave reflection loss curves of the epoxy resin composites respectively containing Fe3O4 particles(a), Fe3O4@SiO2 microspheres(b), single?shelled Fe3O4@SnO2 yolk?shell microspheres(c), and double?shelled Fe3O4@SnO2 yolk?shell microspheres(d—f) with diameters of 545, 626 and 720 nm(D)[45](A) Copyright 2020, Elsevier B. V. (B) Copyright 2020, Elsevier B. V. (C, D) Copyright 2013, American Chemical Society.

Fig.6 PL spectra of bulk g?C3N4 and g?C3N4 HoMSs with different shell numbers(A)[47], upconversion emission spectra of 3.0 mol% Yb3+ and 1.0 mol% Er3+ doped YVO4 multi?shell hollow spheres and illustration of the formation exploration for YVO4 multi?shell hollow spheres through various approaches(inset)(B)[48], CO yields of di?erent catalysts under UV?Vis irradiation(C)[50] and synthesis route of SrTiO3?TiO2 hollow multi‐shelled structures from hydrothermal reaction(D)[52](A) Copyright 2017, American Chemical Society. (B) Copyright 2017, Wiley?VCH. (C) Copyright 2019, Royal Society of Chemistry. (D) Copyright 2019, Wiley?VCH.

Fig.7 Literature statistics of HoMSs in the field of electromagnetic waves from 2009 to 2020 and the statistics of the proportion of HoMSs in the field of electromagnetic waves

Fig.8 Influence of the structural parameters of HoMSs on the transmission and absorption of electromagnetic waves

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