铁酸镍/碳复合中空多壳层结构的制备及吸波性能

doi:10.7503/cjcu20220276

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (1): 20220276.doi: 10.7503/cjcu20220276

铁酸镍/碳复合中空多壳层结构的制备及吸波性能

黄田野¹, 杨梅²(), 王江艳²^,³, 张少军¹, 杜江¹(), 王丹²^,³()

^1.郑州大学河南省资源与材料工业技术研究院, 郑州 450001
^2.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100190
^3.中国科学院大学化工学院, 北京 100049

收稿日期:2022-04-25 出版日期:2023-01-10 发布日期:2022-05-24
通讯作者: 杨梅 E-mail:myang@ipe.ac.cn;dj@zzu.edu.cn;danwang@ipe.ac.cn
作者简介:杜江, 男, 博士, 副教授, 主要从事纳米材料的合成及应用研究. E-mail: dj@zzu.edu.cn
王丹, 男, 博士, 研究员, 主要从事特殊纳米结构功能颗粒的合成、组装与精确调控及其构效关系研究. E-mail: danwang@ipe.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21931012)

Preparation and Microwave Absorbing Property of NiFe₂O₄/C Composites with Hollow Multishelled Structure

HUANG Tianye¹, YANG Mei²(), WANG Jiangyan²^,³, ZHANG Shaojun¹, DU Jiang¹(), WANG Dan²^,³()

^1.Henan Province Industrial Technology Research Institute of Resources and Materials，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China
^2.State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 10049，China

Received:2022-04-25 Online:2023-01-10 Published:2022-05-24
Contact: YANG Mei E-mail:myang@ipe.ac.cn;dj@zzu.edu.cn;danwang@ipe.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21931012)

摘要/Abstract

摘要：

采用次序模板法合成了单、双壳层的中空铁酸镍(NiFe₂O₄)材料, 通过改变前驱体溶液组成及煅烧条件等因素实现了对产物形貌的调控. 在中空NiFe₂O₄颗粒表面原位包覆聚多巴胺, 再经过碳化处理, 制备了具有中空多壳层结构(HoMS)的NiFe₂O₄/C复合吸波材料; 考察了其电磁参数, 计算了其吸波性能, 分析了不同复合结构对性能的影响. 结果表明, 中空多壳层结构能够显著降低材料的密度, 而碳薄层不仅能够改善其阻抗匹配性, 而且提升了材料的反射损耗性能. 其中, 双壳层NiFe₂O₄/C复合物的吸波性能最佳, 当样品厚度为 3.5 mm 时, 材料在 8.44 GHz 处反射损失最小, 为‒32.35 dB; 当样品厚度为 2.0 mm 时, 材料在14.01∼17.69 GHz 范围内反射损耗小于‒10 dB, 有效吸收频宽为3.68 GHz. 这些优异性能主要源于独特的中空多壳层结构增加了电磁波多次反射/散射的概率, 提供了更多的界面极化, 实现了电磁波的快速衰减.

关键词: 铁酸镍, 中空多壳层结构, 次序模板法, 电磁波吸收, 阻抗匹配

Abstract:

Hollow nickel ferrite（NiFe₂O₄） materials with single-shelled and double-shelled structures were synthesized by a facile sequential templating approach（STA） to obtain the lightweight and high-performance electromagne-tic wave absorbent. The morphology of NiFe₂O₄ was controlled by changing the slurry constituents and process parameters. Polydopamine（PDA） and carbon were designed and coated on the surface of NiFe₂O₄through a simple in⁃situ polymerization and carbonization treatment， forming the composites with hollow multishelled structure（HoMS）. The electromagnetic parameters of NiFe₂O₄/C composites with different morphologies were measured by a network analyzer， and their reflection loss values were calculated by transmission line theory. And the effect of composites’ structures on the performance of electromagnetic absorbing were discussed in detail. The results show that the thin carbon coating significantly improves not only the electromagnetic properties but also the impedance matching， and thus the highly effective reflection loss. The double-shelled NiFe₂O₄/C HoMS composites displayed an excellent microwave absorbing performance. A minimum reflection loss（RL_min） of ‒32.35 dB was obtained at 8.44 GHz with absorber thickness of 3.5 mm， along with an effective absorption bandwidth of 3.68 GHz at a 2.0 mm thickness. These results can be attributed to the designable HoMS， which increases the probability of the multiple reflections/scattering and realizes more absorption of microwave besides the interfacial polarization between nanoparticles on the shells.

Key words: Nickel ferrite, Hollow multishelled structure（HoMS）, Sequential templating approach（STA）, Electromagnetic wave absorbing, Impedance matching

中图分类号:

O614

TrendMD:

黄田野, 杨梅, 王江艳, 张少军, 杜江, 王丹. 铁酸镍/碳复合中空多壳层结构的制备及吸波性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220276.

HUANG Tianye, YANG Mei, WANG Jiangyan, ZHANG Shaojun, DU Jiang, WANG Dan. Preparation and Microwave Absorbing Property of NiFe₂O₄/C Composites with Hollow Multishelled Structure. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220276.

图/表 8

Fig.1 Schematic illustration of the preparation process of NiFe2O4/C HoMS composites

Fig.2 TEM images(A—C), SEM images(D—F), XRD patterns(G), N2 adsorption and desorption isotherms(H) and magnetization hysteresis curves(I) of 1s⁃NiFe2O4 HoMS, 2s⁃NiFe2O4 HoMS and NiFe2O4 NPs

Fig.3 TEM images of 1s⁃NiFe2O4/C HoMS(A), 2s⁃NiFe2O4/C HoMS(B) and NiFe2O4 /C NPs(C) composites, SEM images of 2s⁃NiFe2O4/C HoMS(D) and its broken spheres(E), and EDS element line scanning along the line in (E)(F)

Fig.4 XRD patterns of 1s⁃NiFe2O4/C HoMS, 2s⁃NiFe2O4/C HoMS and NPs/C composites(A) and TG curve of 2s⁃NiFe2O4/C HoMS(B)

Fig.5 XPS spectra(A, C), high⁃resolution Ni2p spectra(B, D) and high⁃resolution Fe2p spectra(C, F) of 2s⁃NiFe2O4 HoMS(A—C) and 2s⁃NiFe2O4@C HoMS(D—F)

Fig.6 Real parts(A) and imaginary parts(B) of complex permittivity, dielectric loss tangent(C), and real parts(D) and imaginary parts(E) of complex permeability, magnetic loss tangent(F) of NiFe2O4/C HoMS and NPs/C composites

Fig.7 Variation of μ″/(μ′2f) vs. frequency of 2s⁃NiFe2O4/C HoMS composites

Fig.8 Calculated results of reflection loss versus frequency(A1, B1, C1), statistical diagram of EAB in the thickness range of 1—5 mm(A2, B2, C2), and impedance matching ratio(A3, B3, C3) of NPs/C composites(A1—A3), 1s⁃(B1—B3), and 2s(C1—C3)⁃NiFe2O4/C HoMS composites in the range of 1—5 mm

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