ZIF-67衍生的金属氧化物与石墨烯复合材料的制备以及微波吸收性能的研究

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近几年,随着科学技术的快速发展,个人智能电子设备如手机,个人电脑,无线网络等成为人们的生活的必需品。电子设备被人们每天的高频率使用,产生了大量的电磁波。而电磁波的辐射在生活上和科技上带来了极大的影响,同时电磁污染也成为了一个新的污染源。大量的电磁辐射会带来健康的问题,如心跳加速和人们的免疫力下降等。因此,对高性能的电磁波吸收材料的研究已经成为人们研究的热点。理想的电磁波吸收材料不仅具有吸波性能强,而且吸收频率范围广,厚度薄,重量轻等特点。基于理想电磁波的特点,碳基材料因具有介电常数高和质量轻等优点,碳基材料常被用在电磁波吸收领域。同时金属有机框架(MOFs)衍生的复合材料具有多孔结构和化学多样性的特点,作为电磁波吸收材料也曾被报道过。本文着重研究Co基MOF(ZIF-67)衍生的金属氧化物和碳基材料还原氧化石墨烯(RGO)复合物的制备和电磁波吸收性能。本文通过改变氧化石墨烯(GO)与ZIF-67的不同摩尔比来探究摩尔比的不同对制备的复合材料吸波性能的影响。同时找出GO与ZIF-67的最佳摩尔比,并对最佳摩尔比的样品在不同温度下热分解。同时也分析不同的热解温度与复合物吸波性能的相互关系。部分研究结果已发表在国际刊物上。整篇论文分为四章,第三章和第四章为本文的研究内容:(1)第三章主要研究利用Hummers法制备GO,制备的GO通过高温还原法得到RGO。并使用扫描电子显微镜(SEM)和热重分析仪(TG)对RGO进行分析。发现制备的RGO非常薄而且质量很高。利用网络矢量分析仪(VNA)测量RGO的电磁参数,模拟计算得出RGO的反射损耗(RL)为-6.6dB。这是因为石墨烯具有高的介电常数,阻抗匹配特性较差,造成对电磁波的吸收较弱。本章利用制备的GO和ZIF-67为前驱体。调节GO与ZIF-67的摩尔比,制备出不同摩尔比的ZIF-67/GO复合物,在氩气的保护下500℃热分解。根据GO占的摩尔比不同命名为500-1,500-2和500-3样品。然后利用XRD,SEM,TEM和VNA等手段分析制备的Co304/RGO复合物。通过模拟计算反射损耗的值,500-1,500-2和500-3三个样品的反射损耗值分别为-10.5 dB,-18.25 dB和-39.8 dB。发现随着GO占的摩尔比的增加,复合材料的反射损耗值越来越大。分析出GO与ZIF-67的摩尔比的不同对电磁波性能影响的机理,并找出GO占的最佳摩尔比。我们发现500-3样品的RL值比纯的RGO(-6.5 dB)和纯的ZIF-67(-35.3 dB)的都大。通过对电磁波吸收机理的解释,最后得出的结论是高的电磁波吸收性能可能与介电损耗,偶极子极化,界面极化和多孔结构有关。(2)第四章主要研究不同的热解温度与复合物吸波性能的相互关系。通过对GO与ZIF-67的最佳摩尔比的3号样品在三个不同的温度(500℃,600℃和700℃)下热分解的产物的XRD和拉曼等表征。结果表明复合材料随着温度的变化得到的复合物不同,500-3样品的复合物是Co3O4/RGO,600-3样品的复合物是Co3O4/Co/RGO,700-3样品的复合物是Co/RGO。同样的样品热分解的温度不同,得到的物质不同,造成性能也有区别。600度时的复合物为Co3O4/Co/RGO,它展示着好的吸波性能。在频率为13.12 GHz时,复合物的RL达到-52.8 dB。通过对他们性能的分析,发现除了上述的吸波机理外,还得出了 Co3O4和Co的相互协同作用以及提高材料的阻抗匹配特性都能够增强电磁波的吸收性能。
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