化工學院黃文歡副教授團隊在雜化多孔微納結(jié)構的精確構造及性能調(diào)控方面取得系列研究進展

近期，我校化學與化工學院黃文歡課題組圍繞雜化多孔微納結(jié)構的精確構造及能量轉(zhuǎn)換存貯性能的調(diào)控方面取得了重要進展，連續(xù)在國際頂級期刊Nano-Micro Letters、Journal of Materials Chemistry A、Nano Research、Carbon、SusMat、Chemical Communications、Rare Metals等上發(fā)表研究論文8篇，部分研究成果如下。

【成果1】超薄中空MoCNC球中納米級極化界面的精確構造及電磁波吸收性能的調(diào)控

伴隨著5G時代的到來以及科技的快速發(fā)展，越來越多的電子設備走進我們的生活。這些電子設備給我們帶來便利的生活的同時，也給我們帶來了大量的電磁輻射，對人類的健康和生活造成了影響。因此，開發(fā)高性能的電磁波吸收材料和電磁波屏蔽材料非常重要。具有異質(zhì)界面的碳基復合材料因其優(yōu)異的介電損耗而成為很有前途的電磁波吸收材料（EWAM）。然而，在非磁性復合材料中原位構建超高密度的極性異質(zhì)界面仍然具有一定挑戰(zhàn)。為此，陜西科技大學黃文歡課題組采用一種雙金屬-雜化沸石咪唑框架（ZnMo-HZIF）作為前驅(qū)體，通過液相刻蝕及高溫熱解的策略，精確合成了具有均勻分布納米級MoC/NC異質(zhì)界面的空心球。材料中MoC晶格中的Mo缺陷不加速了電荷轉(zhuǎn)移、增強了界面電荷極化。更重要的是，與復旦大學合作首次通過電子全息圖在納米尺度下直接觀察到MoC(-)/carbon(+)界面上的極化電荷分布，對電磁衰減過程中界面極化的原子級理解將極大地促進非磁性碳基EWAM的設計合成。該成果發(fā)表于學術期刊Journal of Materials Chemistry A，并選為封面文章(Outside Front Cover)。

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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電子協(xié)同在多級孔海綿狀碳載體中增強電磁波吸收

近年來，不同種類的電磁波吸收材料（EWAMs）被研究人員開發(fā)出來，其中具有磁性金屬粒子的碳載體復合材料因其卓越的性能而備受關注。在這類材料的設計開發(fā)中，需要增強電磁波損耗、降低材料密度，以獲得高性能、超輕的協(xié)同性能。為此，在復合材料中引入多種金屬（例如，Co/Fe、Co/Ni等）替代單一金屬，可以有效地增強金屬間的電磁耦合。另一方面，增加材料的比表面積、降低金屬粒子的粒徑、提高分散性等，可以有效增強金屬原子的利用率、降低金屬負載量。為此，陜西科技大學黃文歡課題組采用含能的三氮唑(N-N=N鍵)作為有機配體，設計合成了超低CoFe金屬含量的晶態(tài)金屬有機框架前驅(qū)體(CoFe@MET)。在熱處理過程中，由于含能鍵的存在，CoFe@MET前驅(qū)體在~440^oC發(fā)生了類爆炸過程，有機體的快速分解產(chǎn)生大量的氣體，誘導了非典型三維多級孔海綿狀結(jié)構的形成，超低含量的Co/Fe金屬在快速體積膨脹的過程中被高度分散的嵌入碳載體。原子級CoFe嵌入的多級海綿碳（CoFe@PCS），作為電磁波吸收材料，展現(xiàn)了良好的電磁波吸收性能，在12.08 GHz處，RL為?57.7 dB、SR_L為?192 dB mg^-1mm^-1（負載量15 wt%，厚度2 mm）。更重要的是，該材料提供了一個良好的載體，可以用于研究Co-Fe原子相互作用在電磁波損耗及吸收中的機理。這項工作展示了一種優(yōu)異的從原子尺度設計材料結(jié)構的范例。

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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-殼”納米纖維三維多級網(wǎng)絡：溫度誘導納米粒子的原位轉(zhuǎn)變對電磁波損耗及X/Ku-Band吸收的精確調(diào)控

介電/磁復合型電磁波吸波材料中，為了獲得優(yōu)異的介電損耗、磁損耗及阻抗匹配以獲得最優(yōu)的電磁波吸收效率，合理構造含有磁性金屬納米粒子均勻負載的三維多級導電網(wǎng)絡是理想的途徑。鑒于此，陜西科技大學黃文歡課題組采用靜電紡絲/原位生長的兩步策略，成功合成了具有“核-殼”結(jié)構的“聚合物/MOF”三維纖維網(wǎng)絡，在900^oC高溫熱處理條件下，PVP/PAN聚合物的“核”碳化為導電的三維網(wǎng)絡，Co-ZIF的“殼”在高溫下分解為碳包鈷（Co/NC）層，成功搭建成為一個三維多級“核-殼”纖維網(wǎng)絡（NC@Co/NC）。更重要的是，通過探索800，900及1000^oC的熱處理溫度，成功實現(xiàn)了表面Co/NC層中的鈷納米顆粒的粒徑尺寸及分布狀態(tài)的有效調(diào)控。本工作不僅展示了一個有效搭建三維多級“核-殼”網(wǎng)絡的有效方法，還成功探索了溫度對于碳殼層中磁性金屬鈷納米顆粒的誘導作用，深入分析了材料的介電損耗、磁損耗及阻抗匹配的作用機理。

【文章鏈接】

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原子修飾的海綿狀分級多孔碳用于鈉離子的高效嵌入和脫出

隨著電動車的普及和分布式儲能的應用，新一代的鈉離子電池因其資源豐富、成本低廉等特點備受科學家及產(chǎn)業(yè)界的關注。但與鋰離子電池不同的是，鈉離子具有較大的離子半徑和較高的還原電位，這使得一些常用的鋰離子電池電極材料不適合鈉離子電池系統(tǒng)。開發(fā)性能優(yōu)異、價格低廉、易得的負極材料，并深入研究材料在電化學行為中的過程機理，對于提高鈉離子電池性能具有重要意義?；诖耍兾骺萍即髮W黃文歡課題組采用廉價、低金屬負載量的含能金屬有機框架作為前驅(qū)體，通過一步熱處理的方法制備了一種海綿狀的Fe摻雜三維多級孔結(jié)構的碳材料（Fe@NCS）。在高溫處理中，配體中的高能N-N=N鍵快速分解產(chǎn)生大量的氣體導致了多級孔結(jié)構的形成以及Fe原子的高度分散及嵌入，有效的增強了Na⁺離子的儲存和擴散，組裝的鈉離子電池展現(xiàn)出了良好的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性。該成果發(fā)表于Chemical Communications。

【文章鏈接】

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-水滑石界面擴散調(diào)控增強電化學容量及穩(wěn)定性

水滑石作為一類重要的超級電容器電極材料，具有廉價、易合成、層間離子可交換和較高理論比電容等優(yōu)點。水滑石整個晶體結(jié)構都參與到法拉第氧化還原電荷傳輸，層間通過電解質(zhì)離子的嵌入/脫嵌參與電荷儲存過程。通過調(diào)節(jié)三維組裝結(jié)構可以有效地提高水滑石復合電極的離子傳輸能力、提高電化學活性位暴露面積，提高結(jié)構穩(wěn)定性，繼而提高比容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。近期，陜西科技大學張亞男副教授在碳布上均勻負載Cu-MOF，通過電化學刻蝕沉積法協(xié)同調(diào)控Cu-MOF表面的刻蝕及CoNi-LDH的合成過程，形成一種三維渡河電極材料。通過Cu-MOF及CoNi-LDH的界面調(diào)控，加快了電極材料的電荷轉(zhuǎn)移并增強了電極的離子擴散，在1Ag^-1時獲得了297.23 mAh g^-1的比容量，優(yōu)于大多數(shù)報道的LDH電極。組裝的HKUST-1@CoNiLDH//活性炭混合超級電容器的能量密度為39.8 Wh kg-1，功率密度為799.9 W kg-1，充放電循環(huán)5000次后電容保持率高達90%。該工作增強了我們對MOF/LDH界面間處離子擴散機制的理解，極大促進了高性能能量轉(zhuǎn)換與存儲電極材料的設計與合成，該工作目前已成功發(fā)表在Nano Research期刊上。

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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”晶體Mo/Co骨架誘導復合碳材料中MoC_x的晶相轉(zhuǎn)變調(diào)節(jié)材料的電磁波吸收

近年來，基于MoC_x物種開發(fā)高性能的3d/4d金屬異質(zhì)界面復合材料，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電磁波吸收性能，受到廣泛關注。然而，在在復合材料合成過程中MoC_x的晶相轉(zhuǎn)變過程機理及其在電磁波衰減及吸收中的機理尚不清晰。為此，陜西科技大學黃文歡課題組通過不同的合成路線和鉬源構建了兩種具有不同化學結(jié)構的“節(jié)點”、“主-客體”型的晶態(tài)Co-Mo前驅(qū)體，組裝不同種類的MoC_x/Co@NC復合材料。在相同的煅燒條件下，“節(jié)點”型CoMo-HZIF骨架上MoO₄單元轉(zhuǎn)化為β-Mo₂C，而“主-客體”型Mo-POM@Co-ZIF結(jié)構中的PMo₁₂O₄₀簇轉(zhuǎn)化為η-MoC相，并且表現(xiàn)出了均勻分布及嵌入的Co及MoC_x顆粒。η-MoC/Co@NC復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁波吸收性能，在2.0 mm厚度時，反射損耗為?47.72 dB。厚度為2.5mm時，有效吸收帶寬（<?10 dB）達到4.58 GHz，覆蓋了整個X帶，該研究成果目前已發(fā)表在Carbon期刊上。

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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

新聞小貼士：

黃文歡，擔任《Rare Metals》、《稀有金屬》、《Tungsten》雜志的青年編委。2009年7月于西北大學獲得化學專業(yè)學士學位，2014年7月于西北大學獲得材料化學專業(yè)博士學位。2016年3月至2017年3月，赴美國亞利桑那大學（University of Arizona）進行訪問研究。2017年11月至2020年4月，赴中科院福建物質(zhì)結(jié)構研究所進行博士后研究。近年來主持國家項目1項、省部級各類項目6項，獲得陜西省高?？茖W技術獎一等獎1項，陜西省高校科協(xié)青年人才托舉計劃項目。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等國際期刊上發(fā)表SCI論文40余篇，綜述4篇。其中第一/通訊作者論文36篇，受邀撰寫綜述4篇，高被引論文6篇，熱點論文2篇。影響因子大于10論文6篇，論文總他引1170余次，單篇最高他引頻次230。曾受邀請在國內(nèi)外學術會議上作報告6次，媒體轉(zhuǎn)載相關研究成果10余次。此外，擁有自主知識產(chǎn)權4項，已經(jīng)與企業(yè)展開合作，將相關研究成果推向應用，社會經(jīng)濟效益顯著。指導本科生及研究生參加“挑戰(zhàn)杯”課外學術科技競賽獲得省級獎項3項，省級創(chuàng)新基金1項，校級獎項2項，獲得“優(yōu)秀畢業(yè)生”、“優(yōu)秀碩士畢業(yè)論文”、“國家獎學金”、“研究生高水平科研成果獎勵”等。

張亞男，2011年畢業(yè)于西北大學獲博士學位，2015至2016年赴美國亞利桑那大學從事訪問學者研究，2017年進入陜西科技大學化學工程與技術博士后流動站。主持國家自然基金青年基金1項，陜西省自然科學基金1項，教育廳科研項目2項，中國博士后科學基金1項，陜西省留學人員科技活動資助1項，與中科院合作橫向科研項目1項。從事金屬有機框架衍生儲能材料的開發(fā)及應用方面的研究工作，先后在發(fā)表了Journal of Electroanalytical Chemistry、Journal of Coordination Chemistry等期刊上發(fā)表SCI論文10余篇，授權發(fā)明專利4項。

（核稿：仝建波 編輯：劉倩）