活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　通過水熱法合成了在低頻范圍內具有良好電磁波吸收性能的活性炭復合材料。通過XRD，VSM，SEM和TEM分別對制備的活性炭復合材料的晶體結構，微觀結構，磁化性能，頻率依賴性電磁性能和微波吸收性能進行了表征。結果表明，復合材料的電磁波吸收性能可通過添加活性炭來調節。

　　如今，隨著現代雷達和電子設備的快速發展，人們越來越關注GHz范圍內的電磁波吸收材料。但是，特別是今天使用的雷達的探測頻段位于S波段的低頻范圍內，許多天基雷達的工作頻率范圍迄今已擴展到1.2 GHz。此外，日常生活中使用的電子設備的輻射頻率范圍集中在低頻帶。然而，現有的對電磁波吸收材料的研究主要集中在2-18GHz范圍，并且這些材料的微波吸收在低頻電磁波區域中非常差，特別是在1-2GHz的范圍內。這對于在低頻帶中具有良好吸收能力的材料的設計和開發提出了重大挑戰。

　　在以前的研究中，已經廣泛研究了各種類型的碳材料，例如碳質三元復合材料，石墨烯(氧化石墨烯)和碳纖維，而活性炭的微波吸收性能很少有人研究過。我們發現活性炭由于其結構松散，在許多領域也是一種有利的載體。此外，作為一種磁性鐵氧體，Fe 3 O 4由于其高磁損耗和居里溫度而被廣泛用于吸收電磁波。然而，磁導率的虛部是在純Fe 3 O 4比介電常數大得多的顆粒，這導致相對較差阻抗匹配。因此，活性炭結合Fe 3 O 4的顆粒可能是改善其電磁波吸收性能的有希望的途徑。

　　因此，由于其材料優異的介電性能，在本研究中使用活性炭作為介電吸收劑載體與Fe 3 O 4納米顆粒的復合。由于其高效和方便，通過水熱法合成了所制備的活性炭復合材料，下面我們來介紹活性炭的制造方法。

　　活性炭與Fe 3 O 4復合材料的合成

　　我們通過水熱合成法制備在活性炭上涂覆Fe 3 O 4納米顆粒。使用氯化鐵六水合物加入到乙二醇中以形成澄清溶液。然后，在連續攪拌和超聲分散30分鐘的同時，將三水合乙酸鈉和不同量的活性炭連續加入上述溶液中。隨后，將所得混合溶液直接密封在特氟隆襯里的不銹鋼高壓釜中，并將溫度保持在200℃下12小時。將高壓釜冷卻至室溫后，使用磁鐵將沉淀物與溶液分離。然后，將所制備的黑色產物依次用蒸餾水和乙醇洗滌三次，并在50℃下干燥6小時獲得活性炭復合材料。所有化學品均為分析純，無需進一步純化即可使用，獲得了實驗材料那下面我們開始實驗吧。

　　實驗結果分析

　　使用XRD衍射儀測量活性炭復合物的晶體結構。圖1顯示了所制備樣品的衍射圖案。在2的特征衍射峰θ= 31.24°，36.82°，44.76°，55.62°，59.30°和65.19°的與(220)，(311)，(400)，(422)，(511)和(440)Fe 3 O 4平面一致。此外，在約2峰值θ=26.20°被分配給蓬松結構化活性炭。觀察到Fe 3 O 4衍射峰的強度隨著Fe 3 O 4納米顆粒負載量的增加而增強，并且活性炭的強度在相同的過程中減少。上述現象表明Fe 3 O 4納米顆粒可以成功地引入蓬松結構的活性炭上。

　　圖1：活性炭吸收復合材料的X射線衍射圖。

　　圖2顯示了活性炭，納米離子和活性炭的微觀結構。結果表明，活性炭的尺寸遠大于通過水熱合成法制備納米顆粒的尺寸，活性炭的表面相對不規則。細納米顆粒呈現球狀結構，并且它們中的許多通過彼此凝聚而形成多孔結構。

　　圖2：活性炭，活性炭復合材料，Fe 3 O 4納米顆粒的SEM圖像與宏觀圖。

　　活性炭復合物的TEM圖像和相應的元素分布示于圖5中。如圖，所制備的活性炭均接近球形，粒徑主要集中在約250nm。從圖3(b)中的HR-TEM圖像可以清楚地觀察到單個Fe 3 O 4納米顆粒的良好晶粒取向，并且該區域中的SAED圖案也顯示出Fe 3 O 4的結晶特征。如圖3(c-f)所示，其中可以清楚地觀察到復合材料由Fe，O和C元素。C的分布區域明顯大于Fe和O的相應區域，表明鐵納米顆粒分布在活性炭的表面上。因此，結合XRD，VSM和SEM結果，我們可以得出結論，Fe 3 O 4 納米顆粒緊密粘附在活性炭的表面上。

　　圖3：活性炭復合物的TEM圖像(a)，HR-TEM圖像(b)和相應的元素映射圖像(c-f)。

　　此外，研究了活性炭復合材料的電磁波吸收性能。圖4顯示復介電常數和導磁率，這些電磁參數對于確定微波吸收復合材料的介電和磁損耗非常重要，并且在吸收過程中電磁波的傳輸和反射也受它們的影響。從圖6(a)和(b)中，可以觀察到，所有樣品的介電常數的實部與增加頻率。圖6(c)和(d)顯示了磁導率的實部和虛部作為頻率的函數。觀察到當活性炭的負載量低時，滲透率的實部僅略微增加。

　　圖4：活性炭復合材料的復磁導率的實部和虛部。

　　最后總結，通過水熱合成法合成活性炭與Fe 3 O 4的復合材料，以及對活性炭材料在0.5-3 GHz的低頻帶的電磁波吸收性能也進行了研究。介電和磁損均有助于活性炭的電磁波吸收性能，Fe 3 O 4納米顆粒在活性炭上的負載量可以改變其電磁波吸收性能。本研究提出了一種制備低頻帶性能良好的電磁波吸收復合材料的簡便方法，并提出活性炭復合材料是0.5-3 GHz低頻段電磁波吸收的有希望的候選材料。

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