化工學(xué)院黃文歡副教授團(tuán)隊(duì)在雜化多孔微納結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)造及性能調(diào)控方面取得系列研究進(jìn)展

近期，我校化學(xué)與化工學(xué)院黃文歡課題組圍繞雜化多孔微納結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)造及能量轉(zhuǎn)換存貯性能的調(diào)控方面取得了重要進(jìn)展，連續(xù)在國(guó)際頂級(jí)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(jí)極化界面的精確構(gòu)造及電磁波吸收性能的調(diào)控

伴隨著5G時(shí)代的到來以及科技的快速發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備走進(jìn)我們的生活。這些電子設(shè)備給我們帶來便利的生活的同時(shí)，也給我們帶來了大量的電磁輻射，對(duì)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(fù)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(fù)合材料中原位構(gòu)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(xué)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?zé)峤獾牟呗裕_合成了具有均勻分布納米級(jí)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(qiáng)了界面電荷極化。更重要的是，與復(fù)旦大學(xué)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(duì)電磁衰減過程中界面極化的原子級(jí)理解將極大地促進(jìn)非磁性碳基EWAM的設(shè)計(jì)合成。該成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Journal of Materials Chemistry A，并選為封面文章(Outside Front Cover)。

【文章鏈接】

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電子協(xié)同在多級(jí)孔海綿狀碳載體中增強(qiáng)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(fù)合材料因其卓越的性能而備受關(guān)注。在這類材料的設(shè)計(jì)開發(fā)中，需要增強(qiáng)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(fù)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(qiáng)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(qiáng)金屬原子的利用率、降低金屬負(fù)載量。為此，陜西科技大學(xué)黃文歡課題組采用含能的三氮唑(N-N=N鍵)作為有機(jī)配體，設(shè)計(jì)合成了超低CoFe金屬含量的晶態(tài)金屬有機(jī)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(jī)體的快速分解產(chǎn)生大量的氣體，誘導(dǎo)了非典型三維多級(jí)孔海綿狀結(jié)構(gòu)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(jí)CoFe嵌入的多級(jí)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(fù)載量15 wt%，厚度2 mm）。更重要的是，該材料提供了一個(gè)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(jī)理。這項(xiàng)工作展示了一種優(yōu)異的從原子尺度設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)的范例。

【文章鏈接】

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

介電/磁復(fù)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(gòu)造含有磁性金屬納米粒子均勻負(fù)載的三維多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是理想的途徑。鑒于此，陜西科技大學(xué)黃文歡課題組采用靜電紡絲/原位生長(zhǎng)的兩步策略，成功合成了具有“核-殼”結(jié)構(gòu)的“聚合物/MOF”三維纖維網(wǎng)絡(luò)，在900^oC高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件下，PVP/PAN聚合物的“核”碳化為導(dǎo)電的三維網(wǎng)絡(luò)，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(gè)三維多級(jí)“核-殼”纖維網(wǎng)絡(luò)（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(shí)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(gè)有效搭建三維多級(jí)“核-殼”網(wǎng)絡(luò)的有效方法，還成功探索了溫度對(duì)于碳?xì)又写判越饘兮捈{米顆粒的誘導(dǎo)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(jī)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(jí)多孔碳用于鈉離子的高效嵌入和脫出

隨著電動(dòng)車的普及和分布式儲(chǔ)能的應(yīng)用，新一代的鈉離子電池因其資源豐富、成本低廉等特點(diǎn)備受科學(xué)家及產(chǎn)業(yè)界的關(guān)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(jià)格低廉、易得的負(fù)極材料，并深入研究材料在電化學(xué)行為中的過程機(jī)理，對(duì)于提高鈉離子電池性能具有重要意義。基于此，陜西科技大學(xué)黃文歡課題組采用廉價(jià)、低金屬負(fù)載量的含能金屬有機(jī)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(jí)孔結(jié)構(gòu)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(dǎo)致了多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的形成以及Fe原子的高度分散及嵌入，有效的增強(qiáng)了Na⁺離子的儲(chǔ)存和擴(kuò)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(kuò)散調(diào)控增強(qiáng)電化學(xué)容量及穩(wěn)定性

水滑石作為一類重要的超級(jí)電容器電極材料，具有廉價(jià)、易合成、層間離子可交換和較高理論比電容等優(yōu)點(diǎn)。水滑石整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)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(chǔ)存過程。通過調(diào)節(jié)三維組裝結(jié)構(gòu)可以有效地提高水滑石復(fù)合電極的離子傳輸能力、提高電化學(xué)活性位暴露面積，提高結(jié)構(gòu)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(xué)張亞男副教授在碳布上均勻負(fù)載Cu-MOF，通過電化學(xué)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(qiáng)了電極的離子擴(kuò)散，在1Ag^-1時(shí)獲得了297.23 mAh g^-1的比容量，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的LDH電極。組裝的HKUST-1@CoNiLDH//活性炭混合超級(jí)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(dá)90%。該工作增強(qiáng)了我們對(duì)MOF/LDH界面間處離子擴(kuò)散機(jī)制的理解，極大促進(jìn)了高性能能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電極材料的設(shè)計(jì)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(dǎo)復(fù)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(fù)合材料，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電磁波吸收性能，受到廣泛關(guān)注。然而，在在復(fù)合材料合成過程中MoC_x的晶相轉(zhuǎn)變過程機(jī)理及其在電磁波衰減及吸收中的機(jī)理尚不清晰。為此，陜西科技大學(xué)黃文歡課題組通過不同的合成路線和鉬源構(gòu)建了兩種具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的“節(jié)點(diǎn)”、“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(fù)合材料。在相同的煅燒條件下，“節(jié)點(diǎn)”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(gòu)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(fù)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(shí)，反射損耗為?47.72 dB。厚度為2.5mm時(shí)，有效吸收帶寬（<?10 dB）達(dá)到4.58 GHz，覆蓋了整個(gè)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(dān)任《Rare Metals》、《稀有金屬》、《Tungsten》雜志的青年編委。2009年7月于西北大學(xué)獲得化學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2014年7月于西北大學(xué)獲得材料化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。2016年3月至2017年3月，赴美國(guó)亞利桑那大學(xué)（University of Arizona）進(jìn)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(gòu)研究所進(jìn)行博士后研究。近年來主持國(guó)家項(xiàng)目1項(xiàng)、省部級(jí)各類項(xiàng)目6項(xiàng)，獲得陜西省高?？茖W(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，陜西省高?？茀f(xié)青年人才托舉計(jì)劃項(xiàng)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(guó)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(diǎn)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(qǐng)?jiān)趪?guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議上作報(bào)告6次，媒體轉(zhuǎn)載相關(guān)研究成果10余次。此外，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)4項(xiàng)，已經(jīng)與企業(yè)展開合作，將相關(guān)研究成果推向應(yīng)用，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。指導(dǎo)本科生及研究生參加“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽獲得省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)3項(xiàng)，省級(jí)創(chuàng)新基金1項(xiàng)，校級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)2項(xiàng)，獲得“優(yōu)秀畢業(yè)生”、“優(yōu)秀碩士畢業(yè)論文”、“國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金”、“研究生高水平科研成果獎(jiǎng)勵(lì)”等。

張亞男，2011年畢業(yè)于西北大學(xué)獲博士學(xué)位，2015至2016年赴美國(guó)亞利桑那大學(xué)從事訪問學(xué)者研究，2017年進(jìn)入陜西科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)博士后流動(dòng)站。主持國(guó)家自然基金青年基金1項(xiàng)，陜西省自然科學(xué)基金1項(xiàng)，教育廳科研項(xiàng)目2項(xiàng)，中國(guó)博士后科學(xué)基金1項(xiàng)，陜西省留學(xué)人員科技活動(dòng)資助1項(xiàng)，與中科院合作橫向科研項(xiàng)目1項(xiàng)。從事金屬有機(jī)框架衍生儲(chǔ)能材料的開發(fā)及應(yīng)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(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)。

（核稿：仝建波 編輯：劉倩）