Rapid Joule-heating-driven synthesis of FeCo alloy nanoparticles embedded in porous carbon nanorods for electromagnetic wave absorption

快速焦耳加热驱动合成嵌入多孔碳纳米棒的FeCo合金纳米颗粒用于电磁波吸收

第一作者: Letian Huang (哈尔滨工程大学)

通讯作者: Yujin Chen, Chunling Zhu (哈尔滨工程大学), Xinzhi Ma (哈尔滨师范大学), Xiao Zhang (哈尔滨工程大学)

DOI: 10.1016/j.carbon.2025.120592

期刊: Carbon

发表年份: 2025

论文亮点

            提出了一种快速焦耳加热方法，在10秒内合成FeCo合金纳米颗粒嵌入多孔碳纳米棒的复合材料
该复合材料在1.9 mm厚度下实现了6.08 GHz的有效吸收带宽，性能优于单金属对应物和大多数已报道的磁性碳基吸收剂

研究背景

            随着5G移动通信技术的广泛部署，电磁辐射问题日益严重，对精密电子设备运行和人类健康构成威胁
电磁波吸收材料在电子设备抗干扰、军事隐身涂层和电磁兼容性领域具有不可替代的作用
磁性碳基复合材料结合了磁性材料和碳材料的优点，但传统合成方法存在制备时间长、磁性颗粒易生长和碳载体缺陷率高等问题

        

研究方法

            采用溶剂热法合成FeCo前驱体纳米线：将硝酸三乙酸(NTA)、FeCl₂·4H₂O和CoCl₂·6H₂O溶解在异丙醇和去离子水的混合溶剂中，在180°C下反应6小时
通过快速焦耳加热方法，在氩气气氛下，将前驱体负载在碳布上，在1秒内加热至1500°C，保持1秒，然后冷却至室温，总过程不到10秒
使用相同的方法分别合成Fe-CNRs和Co-CNRs作为对比样品
通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和振动样品磁强计(VSM)等进行表征
采用密度泛函理论(DFT)计算和雷达截面(RCS)模拟进行理论分析

        

主要结论

            快速焦耳加热方法成功合成了FeCo合金纳米颗粒嵌入多孔碳纳米棒的复合材料
该复合材料在1.9 mm厚度下实现了6.08 GHz的有效吸收带宽，性能优异
实验和理论计算表明，其优异的电磁波吸收性能归因于FeCo合金与石墨烯涂层之间的界面极化损耗、FeCo合金的磁耦合效应带来的额外交换共振以及多孔和一维形状等结构特征

        

结果与分析 - 图1

图1 FeCo-CNRs合成示意图

该图展示了FeCo-CNRs的合成过程：首先通过溶剂热法合成FeCo前驱体纳米线，然后通过快速焦耳加热方法在10秒内完成处理，形成FeCo合金纳米颗粒嵌入多孔碳纳米棒框架的复合材料。

结果与分析 - 图2

图2 FeCo-pre和FeCo-CNRs的形貌表征

(a) FeCo-pre的SEM图像，显示直径100-400 nm，长度数十微米的纳米线结构

(b) FeCo-CNRs的SEM图像，显示纳米棒上均匀装饰着FeCo NPs，直径20-300 nm，平均尺寸170 nm

(c) FeCo-CNRs的TEM图像，显示直径约500 nm的碳纳米棒中嵌入FeCo NPs

(d-e) HRTEM图像，显示FeCo NPs附近形成3.907 nm厚的石墨烯层，晶格条纹0.20 nm和0.34 nm分别对应FeCo合金的(110)晶面和碳层的(002)晶面

(f) FFT图案，显示FeCo合金的(110)和(211)晶面方向以及碳层的(002)晶面方向

(g) HAADF-STEM和相应的元素映射，显示Fe、Co和C元素均匀分布，证实了FeCo合金NP的形成

结果与分析 - 图3

图3 结构表征和磁性分析

(a) Fe、Co和FeCo-pre的XRD图谱，显示前驱体为无定形结构

(b) Fe-CNRs、Co-CNRs和FeCo-CNRs的XRD图谱，FeCo-CNRs显示FeCo合金的BCC结构特征峰

(c) 拉曼光谱，FeCo-CNRs的I_D/I_G值最低(0.13)，表明FeCo合金NPs显著提高了石墨化程度

(d) FeCo-CNRs的XPS全谱，证实存在C、O、Fe和Co元素

(e) Fe 2p XPS谱，FeCo-CNRs的Fe 2p峰向更高结合能移动

(f) Co 2p XPS谱，FeCo-CNRs的Co 2p峰向更高结合能移动

(g) C 1s XPS谱，可分解为C-C、C-N、C-O和C=O四个组分

(h-i) 磁滞回线，FeCo-CNRs的Ms值为66.657 emu/g，Hc值为77.37 Oe，适中的Hc值可优化复磁导率

结果与分析 - 图4

图4 电磁波吸收性能

(a-c) FeCo-CNRs、Fe-CNRs和Co-CNRs的3D反射损耗映射

(d-f) 相应的2D等高线图

(g) FeCo-CNRs在1.6-2.3 mm厚度范围内的反射损耗曲线2D图

(h) FeCo-CNRs与先前报道的EAB值比较

FeCo-CNRs在3.7 mm厚度下实现最小反射损耗-49.56 dB，有效吸收带宽达到6.08 GHz(覆盖C至X波段)，远优于单金属系统(Fe-CNRs为0 GHz，Co-CNRs为0.88 GHz)

结果与分析 - 图5

图5 电磁参数分析

(a) 复介电常数实部(ε')，FeCo-CNRs在2-18 GHz频段具有显著优势，初始值达到10.78

(b) 复介电常数虚部(ε'')，FeCo-CNRs的值保持在2.78-4.31之间，表现出更平衡的宽带介电损耗特性

(c) 介电损耗角正切(tanδ_e)，FeCo-CNRs的平均值为0.37，显著高于其他样品

(d) 复磁导率实部(μ')，FeCo-CNRs在2-18 GHz范围内平均比另外两个样品高0.28

(e) 复磁导率虚部(μ'')，FeCo-CNRs表现出更大的值，表明其具有更强的磁损耗能力

(f) 磁损耗角正切(tanδ_m)，FeCo-CNRs在约10.4 GHz处有一个宽峰，归因于交换共振

结果与分析 - 图6

图6 DFT理论计算

(a) FeCo/C、Fe/C(FCC)、Fe/C(BCC)、Co/C和C模型的态密度(DOS)

FeCo/C、Fe/C和Co/C在费米能级附近显示明显的电子态峰，d轨道贡献显著

(b) 电荷差分密度图，显示金属颗粒与碳基底之间的电荷重分布现象

(c) 布居分析，显示电子主要从Fe/Co原子转移到碳基底，形成更强的偶极系统

(d) Fe/C、Co/C和FeCo/C的偶极矩，FeCo/C系统的界面偶极强度(17.23 Debye)高于Fe/C(17.02 Debye)和Co/C(14.31 Debye)系统

结果与分析 - 图7

图7 电磁波吸收机制

该图简要概述了FeCo-CNRs的电磁波吸收机制：

碳纳米棒和嵌入的FeCo NPs共同贡献磁损耗和介电损耗
表面形貌和多孔结构促进电磁波传输路径和阻抗匹配优化
碳缺陷作为极化中心，在交变电磁场下诱导偶极极化和相关介电弛豫
合金颗粒与碳材料的结合创建界面区域，丰富的异质界面导致空间电荷积累，引发强界面极化
磁性组分的引入在交变电场影响下，通过自然共振和交换共振诱导强磁损耗能力

结果与分析 - 图8

图8 RCS模拟

(a) Fe-CNRs、Co-CNRs和FeCo-CNRs的3D RCS模拟，显示从0°到180°检测角度的变化

(b) RCS模拟曲线，FeCo-CNRs的振荡幅度显著高于Fe-CNRs和Co-CNRs

(c) RCS减小分析，FeCo-CNRs在不同散射方向上显示出比单金属系统更大的减小效果

RCS模拟与电磁波吸收特性的一致性进一步说明了双金属系统相对于单金属系统的显著优势