科学研究

化工学院黄文欢副教授团队在杂化多孔微纳结构的精确构造及性能调控方面取得系列研究进展

2022-07-18 15:41 文、图/化工学院 点击:[]

近期,我校化学与化工学院黄文欢课题组围绕杂化多孔微纳结构的精确构造及能量转换存贮性能的调控方面取得了重要进展,连续在国际顶级期刊Nano-Micro Letters、Journal of Materials Chemistry A、Nano Research、Carbon、SusMat、Chemical Communications、Rare Metals等上发表研究论文8篇,部分研究成果如下。


ACDDC

【成果1】超薄中空MoCNC球中纳米级极化界面的精确构造及电磁波吸收性能的调控

伴随着5G时代的到来以及科技的快速发展,越来越多的电子设备走进我们的生活。这些电子设备给我们带来便利的生活的同时,也给我们带来了大量的电磁辐射,对人类的健康和生活造成了影响。因此,开发高性能的电磁波吸收材料和电磁波屏蔽材料非常重要。具有异质界面的碳基复合材料因其优异的介电损耗而成为很有前途的电磁波吸收材料(EWAM)。然而,在非磁性复合材料中原位构建超高密度的极性异质界面仍然具有一定挑战。为此,陕西科技大学黄文欢课题组采用一种双金属-杂化沸石咪唑框架(ZnMo-HZIF)作为前驱体,通过液相刻蚀及高温热解的策略,精确合成了具有均匀分布纳米级MoC/NC异质界面的空心球。材料中MoC晶格中的Mo缺陷不加速了电荷转移、增强了界面电荷极化。更重要的是,与复旦大学合作首次通过电子全息图在纳米尺度下直接观察到MoC(-)/carbon(+)界面上的极化电荷分布,对电磁衰减过程中界面极化的原子级理解将极大地促进非磁性碳基EWAM的设计合成。该成果发表于学术期刊Journal of Materials Chemistry A,并选为封面文章(Outside Front Cover)。

【文章链接】

W. Huang*, W. Gao, S. Zuo, L. Zhang, K. Pei, P. Liu and R. Che*, and H. Zhang*, Hollow MoC/NC Sphere for Electromagnetic Wave Attenuation: Direct Observation of Interfacial Polarization on Nanoscale Hetero-interfaces.Journal of Materials Chemistry A,2022, 10: 1290-1298.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D1TA09357F

【成果2】超高密度原子Co-Fe电子协同在多级孔海绵状碳载体中增强电磁波吸收

近年来,不同种类的电磁波吸收材料(EWAMs)被研究人员开发出来,其中具有磁性金属粒子的碳载体复合材料因其卓越的性能而备受关注。在这类材料的设计开发中,需要增强电磁波损耗、降低材料密度,以获得高性能、超轻的协同性能。为此,在复合材料中引入多种金属(例如,Co/Fe、Co/Ni等)替代单一金属,可以有效地增强金属间的电磁耦合。另一方面,增加材料的比表面积、降低金属粒子的粒径、提高分散性等,可以有效增强金属原子的利用率、降低金属负载量。为此,陕西科技大学黄文欢课题组采用含能的三氮唑(N-N=N键)作为有机配体,设计合成了超低CoFe金属含量的晶态金属有机框架前驱体(CoFe@MET)。在热处理过程中,由于含能键的存在,CoFe@MET前驱体在~440oC发生了类爆炸过程,有机体的快速分解产生大量的气体,诱导了非典型三维多级孔海绵状结构的形成,超低含量的Co/Fe金属在快速体积膨胀的过程中被高度分散的嵌入碳载体。原子级CoFe嵌入的多级海绵碳(CoFe@PCS),作为电磁波吸收材料,展现了良好的电磁波吸收性能,在12.08 GHz处,RL为?57.7 dB、SRL为?192 dB mg-1mm-1(负载量15 wt%,厚度2 mm)。更重要的是,该材料提供了一个良好的载体,可以用于研究Co-Fe原子相互作用在电磁波损耗及吸收中的机理。这项工作展示了一种优异的从原子尺度设计材料结构的范例。

【文章链接】

Wenhuan Huang*, Qiang Qiu, Xiufang Yang, Shouwei Zuo, Jianan Bai, Huabin Zhang*, Ke Pei and Renchao Che*. Ultrahigh Density of Atomic CoFe?Electron Synergy in Noncontinuous Carbon Matrix for Highly Efficient Magnetic Wave Adsorption.Nano Micro-Letters,2022, 14, 96.

 https://doi.org/10.1007/ s40820-022-00830-8.

【成果3】 “核-壳”纳米纤维三维多级网络:温度诱导纳米粒子的原位转变对电磁波损耗及X/Ku-Band吸收的精确调控

介电/磁复合型电磁波吸波材料中,为了获得优异的介电损耗、磁损耗及阻抗匹配以获得最优的电磁波吸收效率,合理构造含有磁性金属纳米粒子均匀负载的三维多级导电网络是理想的途径。鉴于此,陕西科技大学黄文欢课题组采用静电纺丝/原位生长的两步策略,成功合成了具有“核-壳”结构的“聚合物/MOF”三维纤维网络,在900oC高温热处理条件下,PVP/PAN聚合物的“核”碳化为导电的三维网络,Co-ZIF的“壳”在高温下分解为碳包钴(Co/NC)层,成功搭建成为一个三维多级“核-壳”纤维网络(NC@Co/NC)。更重要的是,通过探索800,900及1000oC的热处理温度,成功实现了表面Co/NC层中的钴纳米颗粒的粒径尺寸及分布状态的有效调控。本工作不仅展示了一个有效搭建三维多级“核-壳”网络的有效方法,还成功探索了温度对于碳壳层中磁性金属钴纳米颗粒的诱导作用,深入分析了材料的介电损耗、磁损耗及阻抗匹配的作用机理。

【文章链接】

Wenhuan Huang*, Shun Wang, Xiufang Yang, Xingxing Zhang, Yanan Zhang, Ke Pei, Renchao Che*,Temperature induced transformation of Co@C nanoparticle in 3D hierarchical core shell nanofiber network for enhanced electromagnetic wave adsorption.Carbon,2022, 4, 195: 44-56.

 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.04.019

【成果4】Fe原子修饰的海绵状分级多孔碳用于钠离子的高效嵌入和脱出

随着电动车的普及和分布式储能的应用,新一代的钠离子电池因其资源丰富、成本低廉等特点备受科学家及产业界的关注。但与锂离子电池不同的是,钠离子具有较大的离子半径和较高的还原电位,这使得一些常用的锂离子电池电极材料不适合钠离子电池系统。开发性能优异、价格低廉、易得的负极材料,并深入研究材料在电化学行为中的过程机理,对于提高钠离子电池性能具有重要意义。基于此,陕西科技大学黄文欢课题组采用廉价、低金属负载量的含能金属有机框架作为前驱体,通过一步热处理的方法制备了一种海绵状的Fe掺杂三维多级孔结构的碳材料(Fe@NCS)。在高温处理中,配体中的高能N-N=N键快速分解产生大量的气体导致了多级孔结构的形成以及Fe原子的高度分散及嵌入,有效的增强了Na+离子的储存和扩散,组装的钠离子电池展现出了良好的倍率和循环稳定性。该成果发表于Chemical Communications。

【文章链接】

W. Huang*, Z. Chen, H. Wang, L. Wang, H. Zhang, and H. Wang, Sponge-like hierarchical porous carbon decorated by Fe atoms for high-efficient sodium storage and diffusion.Chemical Communications,2022, 58(28): 4496-4499.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CC/D1CC07305B

【成果5】CoNi-水滑石界面扩散调控增强电化学容量及稳定性

水滑石作为一类重要的超级电容器电极材料,具有廉价、易合成、层间离子可交换和较高理论比电容等优点。水滑石整个晶体结构都参与到法拉第氧化还原电荷传输,层间通过电解质离子的嵌入/脱嵌参与电荷储存过程。通过调节三维组装结构可以有效地提高水滑石复合电极的离子传输能力、提高电化学活性位暴露面积,提高结构稳定性,继而提高比容量、倍率性能和循环稳定性。近期,陕西科技大学张亚男副教授在碳布上均匀负载Cu-MOF,通过电化学刻蚀沉积法协同调控Cu-MOF表面的刻蚀及CoNi-LDH的合成过程,形成一种三维渡河电极材料。通过Cu-MOF及CoNi-LDH的界面调控,加快了电极材料的电荷转移并增强了电极的离子扩散,在1Ag-1时获得了297.23 mAh g-1的比容量,优于大多数报道的LDH电极。组装的HKUST-1@CoNiLDH//活性炭混合超级电容器的能量密度为39.8 Wh kg-1,功率密度为799.9 W kg-1,充放电循环5000次后电容保持率高达90%。该工作增强了我们对MOF/LDH界面间处离子扩散机制的理解,极大促进了高性能能量转换与存储电极材料的设计与合成,该工作目前已成功发表在Nano Research期刊上。

【文章链接】

Z. Yanan, C. Junlei, S. Chenyang, C. Keyao, Z. Huabin, Y. Yuhao, H. Wenhuan, Enhanced ionic diffusion interface in hierarchical metal-organic framework@layered double hydroxide for high-performance hybrid supercapacitors,Nano Research,2022, DOI: 10.1007/s12274-022-4545-6.

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4545-6

【成果6】主-客”晶体Mo/Co骨架诱导复合碳材料中MoCx的晶相转变调节材料的电磁波吸收

近年来,基于MoCx物种开发高性能的3d/4d金属异质界面复合材料,展现出了优异的电磁波吸收性能,受到广泛关注。然而,在在复合材料合成过程中MoCx的晶相转变过程机理及其在电磁波衰减及吸收中的机理尚不清晰。为此,陕西科技大学黄文欢课题组通过不同的合成路线和钼源构建了两种具有不同化学结构的“节点”、“主-客体”型的晶态Co-Mo前驱体,组装不同种类的MoCx/Co@NC复合材料。在相同的煅烧条件下,“节点”型CoMo-HZIF骨架上MoO4单元转化为β-Mo2C,而“主-客体”型Mo-POM@Co-ZIF结构中的PMo12O40簇转化为η-MoC相,并且表现出了均匀分布及嵌入的Co及MoCx颗粒。η-MoC/Co@NC复合材料表现出优异的电磁波吸收性能,在2.0 mm厚度时,反射损耗为?47.72 dB。厚度为2.5mm时,有效吸收带宽(<?10 dB)达到4.58 GHz,覆盖了整个X带,该研究成果目前已发表在Carbon期刊上。

【文章链接】

Wenhuan Huang*, Jiamin Chen, Wenming Gao, Lei Wang, Panbo Liu*, Yanan Zhang, Zheng Yin, Yuhao Yang,“Host-Guest” crystalline Mo/Co-framework induced phase-conversion of MoCx in carbon hybrids for regulating absorption of electromagnetic wave, Carbon 197 (2022) 129-140.

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.06.031

新闻小贴士:

黄文欢,担任《Rare Metals》、《稀有金属》、《Tungsten》杂志的青年编委。2009年7月于西北大学获得化学专业学士学位,2014年7月于西北大学获得材料化学专业博士学位。2016年3月至2017年3月,赴美国亚利桑那大学(University of Arizona)进行访问研究。2017年11月至2020年4月,赴中科院福建物质结构研究所进行博士后研究。近年来主持国家项目1项、省部级各类项目6项,获得陕西省高校科学技术奖一等奖1项,陕西省高校科协青年人才托举计划项目。在Nano-Micro Letters、Journal of Materials Chemistry A、Energy & Environmental Materials、Chemical Engineering Journal、Materials Chemistry Frontiers、Chemical Communications、Carbon、Journal of Power Sources、Nanoscale、Chemistry-A European Journal、Inorganic Chemistry、Crystal Growth & Design等国际期刊上发表SCI论文40余篇,综述4篇。其中第一/通讯作者论文36篇,受邀撰写综述4篇,高被引论文6篇,热点论文2篇。影响因子大于10论文6篇,论文总他引1170余次,单篇最高他引频次230。曾受邀请在国内外学术会议上作报告6次,媒体转载相关研究成果10余次。此外,拥有自主知识产权4项,已经与企业展开合作,将相关研究成果推向应用,社会经济效益显著。指导本科生及研究生参加“挑战杯”课外学术科技竞赛获得省级奖项3项,省级创新基金1项,校级奖项2项,获得“优秀毕业生”、“优秀硕士毕业论文”、“国家奖学金”、“研究生高水平科研成果奖励”等。

张亚男,2011年毕业于西北大学获博士学位,2015至2016年赴美国亚利桑那大学从事访问学者研究,2017年进入陕西科技大学化学工程与技术博士后流动站。主持国家自然基金青年基金1项,陕西省自然科学基金1项,教育厅科研项目2项,中国博士后科学基金1项,陕西省留学人员科技活动资助1项,与中科院合作横向科研项目1项。从事金属有机框架衍生储能材料的开发及应用方面的研究工作,先后在发表了Journal of Electroanalytical Chemistry、Journal of Coordination Chemistry等期刊上发表SCI论文10余篇,授权发明专利4项。

(核稿:仝建波 编辑:刘倩)

上一条:化工学院绿色催化研究团队在研究领域取得重要进展 下一条:化工学院屈彦宁博士在皮克林乳液光催化领域发表高水平论文