高性能 CoFe/C 核壳纳米复合材料实现宽带微波吸收

摘要

CoFe/C 核壳纳米复合材料 (CoFe@C) 通过乙炔热分解利用 CoFe₂O₄ 前驱体制备。XRD、XPS、拉曼、TEM 和热重分析确认了厚度 5–30 nm、占复合材料 ~48.5 wt% 的非晶碳壳。内在磁性与高电导率的协同产生卓越微波吸收性能：4.0 mm 厚度下最小反射损耗 (RL) –44 dB，2.5 mm 处以 –10 dB 为准则的有效吸收带宽 4.3 GHz。

研究背景

电磁 (EM) 干扰对现代电子设备构成日益挑战。微波吸收材料 (MAMs) 通过将无用 EM 能量转化为热或其他无害形式缓解此问题 [1–5]。理想 MAMs 具备宽带宽、强吸收、低密度和稳健稳定性 [6–9]。核壳纳米结构尤能结合介电、磁性和界面多重损耗机制，实现卓越性能 [10–14]。例如，Fe₃O₄/C 纳米环增强低频吸收 [18]，而 CoFe@C 复合材料前文报道 4.3 GHz 有效带宽 [33]。然而，此类核壳体系的可放大、均一合成仍具挑战。

方法/实验

CoFe₂O₄ 合成

CoCl₂·6H₂O (2.5 g) 和 FeSO₄·7H₂O (5.6 g) 溶于 80 mL 去离子水，80 °C 搅拌 1 h。1 M 草酸溶液 (30 mL) 加热沸腾后在剧烈搅拌下缓慢加入，形成黑色沉淀。冰水冷却后收集沉淀，水、乙醇洗涤，60 °C 真空干燥 12 h。粉末在马弗炉中 600 °C 煅烧 1 h (1 °C min⁻¹)。

CoFe@C 合成

CoFe₂O₄ 粉末置于瓷舟，置入管式炉，抽真空后通入常压乙炔气。反应在 400 °C 进行 1 h (5 °C min⁻¹)。冷却后回收 CoFe@C 纳米复合材料。

表征

TEM 和 HRTEM 在 JEOL JEM-2100 显微镜上进行。XRD 用 Cu Kα 辐射在 Bruker D8 Advance 衍射仪上测量。XPS 用 AXIS SUPRA 光谱仪、单色 Al Kα (1486.6 eV)。热重数据用 TA Q600 系统收集 (10 °C min⁻¹, 空气)。拉曼光谱用 Renishaw inVia Reflex、532 nm 激光记录。磁性测量用 MicroMag 2900/3900 交变梯度磁强计。

微波吸收测量

样品与石蜡按 50 wt% 混合压制成圆柱，切割成环形 (外径 7.00 mm, 内径 3.04 mm)。用 Agilent N5230A VNA 同轴线法在 2–18 GHz 测反射和透射参数 (S₁₁, S₂₁)，导出复介电常数和复磁导率。

结果与讨论

结构分析

XRD 图谱确认 CoFe₂O₄ 逆尖晶石结构 (JCPDS 03-0864)。CoFe@C 显示 Fe-Co 合金峰 (JCPDS 44-1483)，无结晶石墨，表明非晶碳壳。XPS 全谱显示 C、O、Fe、Co，C 1s 峰 284.5 eV (sp² 杂化)。拉曼谱显示 D 峰 1345 cm⁻¹ 和 G 峰 1604 cm⁻¹，进一步确认无序碳。TEM 图像显示介孔 CoFe₂O₄ 颗粒 (平均 40–70 nm) 和被 5–30 nm 碳壳包覆的 CoFe 核。热重分析指示 CoFe@C 碳含量 ~48.5 wt%。

磁性能

CoFe₂O₄ 饱和磁化 (Mₛ) 61.7 emu g⁻¹，矫顽力 (H_c) 1536.8 Oe。CoFe@C 显示 Mₛ = 42.6 emu g⁻¹，H_c = 729.2 Oe，符合文献 CoFe/C 复合材料数值。相比体相 FeCo 的适度 Mₛ 和较低 H_c 提示碳壳减少磁畴钉扎。

微波吸收性能

CoFe₂O₄ 吸收微弱 (最小 RL ≈ –7.1 dB, 2.5 mm)。相反，CoFe@C 表现卓越：2.0 mm 处 –15.5 dB (17.1 GHz)，2.5 mm 处 –17.9 dB (13.3 GHz)，3.0 mm 处 –20.8 dB (10.9 GHz)，3.5 mm 处 –26.1 dB (9.3 GHz)，4.0 mm 处 –44.0 dB (7.9 GHz)，4.5 mm 处 –31.8 dB (7.0 GHz)，5.0 mm 处 –24.4 dB (6.2 GHz)。值得注意的是，2.5 mm 厚度下 11.6–15.9 GHz (4.3 GHz 带宽) RL < –10 dB，满足实际 EM 屏蔽 90% 吸收基准。

介电与磁损耗机制

CoFe@C 复介电常数 (ε′ = 5.5–9.1, ε″ = 2.0–5.4) 超过 CoFe₂O₄，归因于高电导率和界面极化。磁导率 (μ′ = 0.98–1.2, μ″ = 0–0.23) 指示显著磁损耗，尤其在自然共振 (≈3 GHz) 和交换共振 (≈12.5 GHz) 附近，涡流损耗可忽略 (μ″μ′⁻²f⁻¹ 非常数)。介电损耗正切 (tan δ_E ≈ 0.7) 和磁损耗正切 (tan δ_M ≈ 1.4) 确认强损耗机制。总体而言，导电损耗、界面偶极极化和共振磁损耗的协同支撑了 CoFe@C 的卓越吸收。

结论

我们引入了一种可放大路线制备具有非晶碳壳 (~48.5 wt%) 的 CoFe/C 核壳纳米复合材料。CoFe@C 展现创纪录微波吸收：4.0 mm 处 RL –44 dB，2.5 mm 为中心 4.3 GHz –10 dB 带宽。这些优异指标源于介电和磁损耗机制的平衡组合，确立 CoFe@C 作为下一代 EM 屏蔽应用的有力候选。

缩略语

CoFe@C

CoFe/C 核壳结构纳米复合材料

EM

电磁

HRTEM

高分辨率透射电镜

MAMs

微波吸收材料

TEM

透射电镜

TG

热重分析

XPS

X 射线光电子能谱

XRD

X 射线衍射