【MIL-88B-MOF电磁材料】通过梯度孔调节优化MOF衍生的电磁波吸收器，以实现帕累托改进

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摘要：
浙江大学吴琛和The Ohio State University的Xiaoguang Wang等报道的本篇文章（Adv. Funct. Mater. 2024, 2413048）中通过构建梯度孔隙结构，优化了金属有机框架（MOF）衍生的电磁波吸收器的性能。研究团队采用溶剂辅助连接交换策略，制备了具有高孔隙率的Fe/Fe3Co7/Co/C复合物。通过实验和模拟方法研究了单孔和梯度孔衍生物的阻抗和衰减特性。模拟空间电磁场、损耗密度和史密斯图揭示了孔隙内显著增强的电磁相互作用和优化的阻抗匹配。与单一MOF衍生物相比，梯度衍生物在大孔壳层实现了更好的阻抗匹配，而在小孔核心层实现了更优越的衰减能力，从而在电磁吸收性能上实现了帕累托改进，具有强烈的反射损耗（-64.7 dB）和宽有效吸收带宽（5.8 GHz）。

研究背景：
1）随着通信技术的发展，电磁辐射对微电子设备运行的干扰问题日益严重，需要有效的电磁波吸收材料。
2）多孔吸收器因其低密度、高比表面积和大内部自由空间等特性受到关注，但多孔材料在阻抗匹配和衰减能力之间存在权衡问题。
3）本研究提出了一种通过构建梯度孔隙结构来克服这一挑战的策略，通过溶剂辅助连接交换策略制备了具有大孔壳层和小孔核心层的MOF，实现了阻抗匹配和衰减能力的优化。

实验部分：
1. MOF的合成：
   1) 将2 mmol的1,4-苯二甲酸（H2BDC）溶解在17.5 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，持续搅拌。
   2) 将4 mmol的硝酸铁非水合物（Fe(NO3)3·9H2O）溶解在12.5 mL的水中，缓慢加入到H2BDC溶液中。
   3) 向混合物中加入0.2 mL的1 mol/L盐酸（HCl）和0.2 mL的5 mol/L氢氟酸（HF），在30分钟的磁力搅拌后转移到50 mL的聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，进行溶剂热反应（100°C，72小时）。
   4) 反应结束后，将产物离心收集，用DMF和乙醇多次洗涤，得到FeBDC。
2. 梯度MOF的制备：
   1) 将1 mmol的4,4'-联苯二甲酸（H2BPDC）溶解在12 mL的DMF中，滴加到FeBDC分散液中（6 mL DMF作为溶剂），在磁力搅拌6小时进行溶剂辅助连接交换（SALE）。
   2) 向上述溶液中加入1 mmol的硝酸钴六水合物（Co(NO3)2·6H2O）的DMF溶液（12 mL），继续搅拌30分钟，然后将混合物转移到高压釜中进行二次溶剂热反应（150°C，24小时）。
   3) 反应结束后，将产物离心收集，用DMF和乙醇多次洗涤，真空干燥过夜以激活孔隙。
3. MOF衍生物的制备：
   1) 将制备的MOF在Ar/H2（10体积% H2）氛围下于600°C退火1小时，加热速率为5°C/min，得到Fe/C、Co/C和Fe/Fe3Co7/Co/C复合材料。
4. 电磁波吸收性能测试：
   1) 将MOF衍生物与石蜡以60:40的重量比混合，压制成环形样品（内径3.04 mm，外径7.00 mm，厚度2.00 mm）。
   2) 使用矢量网络分析仪（VNA）通过同轴法测量样品在2.0-18.0 GHz频率范围内的复杂介电常数和磁导率。
   3) 根据传输线理论计算样品的反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB）。

分析测试：
1. X射线衍射（XRD）：
   - FeBDC、CoBPDC和梯度MOF衍生物的XRD图谱显示了其晶体相和化学状态，衍射峰对应于Fe (110)、Co (111)和Fe3Co7合金的(110)和(200)晶面。
2. 拉曼光谱：
   - 拉曼光谱显示了碳的D带（1340 cm^-1）和G带（1590 cm^-1），ID/IG比值表明了碳的无序度。
3. X射线光电子能谱（XPS）：
   - XPS分析显示了Fe和Co的化学状态，Fe 2p3/2和Co 2p3/2的结合能峰位表明了Fe和Co的氧化态。
4. 氮气吸附-脱附等温线：
   - FeBDC、CoBPDC和梯度MOF的比表面积分别为33.2 m²/g、129.8 m²/g和80.2 m²/g，孔径分布显示了梯度孔隙结构。
5. 电磁参数测量：
   - 测量了MOF衍生物的复杂介电常数和磁导率，以及损耗正切，结果表明梯度MOF衍生物具有最佳的电磁波吸收性能。
6. 电磁场模拟：
   - 模拟结果表明，梯度孔隙结构的MOF衍生物在2.0-18.0 GHz频率范围内具有优化的阻抗匹配和增强的电磁波衰减能力。

总结：
本研究成功开发了一种具有梯度孔隙结构的MOF衍生物，通过实验和模拟方法验证了其在电磁波吸收方面的优异性能。梯度孔隙结构的设计实现了阻抗匹配和衰减能力的优化，打破了传统多孔吸收器的权衡限制，为电磁波吸收材料的设计提供了新思路。

展望：
本研究为电磁波吸收材料的设计和应用提供了重要的科学依据，未来的研究可以进一步探索梯度孔隙结构在其他类型的电磁波吸收材料中的应用，以及其在实际电磁干扰环境中的性能。此外，还可以研究梯度孔隙结构对材料热稳定性、机械强度等其他性能的影响，以实现更全面的性能优化。

Optimizing MOF-Derived Electromagnetic Wave Absorbers through Gradient Pore Regulation for Pareto Improvement
文章作者：Guang Liu, Panbin Zhu, Ji Teng, Runyi Xi, Xiaoguang Wang,* Xinhua Wang, Mi Yan, and Chen Wu*
DOI：10.1002/adfm.202413048
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413048

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