Carbon Nanofibers Propped Hierarchical Porous SiOC Ceramics Menuju Penyerapan Microwave yang Efisien
Abstrak
Keramik SiOC berpori hierarkis (HPSCs) telah disiapkan dengan pirolisis prekursor (campuran dimetikon dan KH-570) dan serat nano poliakrilonitril (templat berpori). HPSC memiliki struktur berpori hierarkis dengan luas permukaan BET 51,4 m
2
/g dan memiliki sifat anti-oksidasi yang baik (hanya penurunan berat badan 5,1 wt.%). Karena struktur berpori, HPSC memberikan nilai kehilangan refleksi optimal 47,9 dB pada 12,24 GHz dan bandwidth penyerapan efektif 4,56 GHz dengan ketebalan 2,3 mm. SiOC amorf, SiOx , dan komponen karbon bebas dalam SiOC memberikan kontribusi untuk meningkatkan polarisasi dipolarisasi. Selain itu, antarmuka yang melimpah antara SiOC dan serat nano karbon (CNFs) menguntungkan untuk meningkatkan polarisasi antarmuka. Kehilangan konduktif yang timbul dari CNF yang terhubung silang juga dapat meningkatkan kinerja penyerapan gelombang mikro.
Pengantar
Dengan pesatnya perkembangan teknologi komunikasi nirkabel, gelombang elektromagnetik berlebihan (EMW) telah dianggap sebagai polusi tipe baru, yang berbahaya bagi instrumen presisi, keamanan nasional, dan bahkan kesehatan manusia [1,2,3]. Sangat mendesak untuk mengembangkan bahan penyerapan gelombang mikro (MAM) kinerja tinggi untuk menekan polusi elektromagnetik yang tidak diinginkan. Baru-baru ini, struktur berpori telah terbukti menguntungkan untuk memperpanjang jalur propagasi dan kemudian meningkatkan hamburan gelombang mikro, sehingga menghasilkan kinerja penyerapan gelombang mikro yang lebih baik. Misalnya, Yin et al. mempresentasikan bahwa pita gelombang mikro efektif ultra-lebar dari busa seluler mencapai 29,7 GHz yang timbul dari struktur berpori yang saling terhubung dengan baik [4]. Li dkk. melaporkan bahwa karbon berpori menghasilkan kerugian refleksi minimum (RLmin ) nilai 56,4 dB, yang disebabkan oleh peningkatan kemampuan polarisasi dan refleksi ganda [5]. Selain itu, bahan berpori biasanya dapat memenuhi persyaratan ringan untuk MAM tingkat lanjut. Dengan demikian, merancang struktur berpori adalah strategi yang efisien untuk meningkatkan sifat MA dari MAM.
Di antara bahan berpori ini, keramik berpori sebagai bintang yang sedang naik daun telah menarik perhatian luas karena anti-oksidasi, ekspansi termal yang rendah, dan karakteristik ketahanan kimia dan fisik [6, 7]. Oleh karena itu, mereka sangat relevan untuk serangkaian aplikasi, seperti reaktor katalitik, filtrasi, penyimpanan energi termal, pengolahan air, dan MAM [8,9,10,11]. Menurut penelitian sebelumnya, keramik SiOC dianggap sebagai kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi MA karena fase amorfnya (komponen kompleks SiOC, SiOx , dan karbon bebas), biaya rendah, dan fitur ringan [12,13,14,15]. Diuntungkan dari keberadaan komponen karbon bebas, konduktivitas listrik bahan SiOC jauh lebih tinggi daripada SiC (semikonduktor celah pita lebar), menghasilkan kehilangan polarisasi dipol elektronik yang lebih tinggi. Misalnya, Yin et al. melaporkan bahwa RLmin nilai keramik SiOC dapat mencapai 46 dB, dan kemampuan MA yang baik terutama disebabkan oleh polarisasi dipolar yang terjadi pada fase SiC dan karbon bebas [14]. Namun, ada sedikit laporan tentang merancang struktur SiOC berpori untuk aplikasi MA. Di atas segalanya, diharapkan untuk mengembangkan metode yang mudah untuk menyiapkan keramik SiOC berpori sebagai penyerap gelombang mikro berkinerja tinggi.
Di sini, keramik SiOC berpori hierarkis (HPSC) telah dibangun melalui pengintegrasian prekursor sederhana dan templat kain serat non-anyaman. Hasil XPS mengungkapkan bahwa keramik SiOC terdiri dari SiOC, SiOx , dan karbon bebas. Berdasarkan teori saluran transmisi, HPSC memberikan nilai RL optimal 47,9 dB dan bandwidth penyerapan efektif (EAB) 4,56 GHz. Kinerja MA yang baik dikaitkan dengan beberapa refleksi, polarisasi yang beragam, dan kerugian konduktif. Pendekatan yang mudah ini dapat membuka jalan baru menuju fabrikasi keramik berpori yang diturunkan dari polimer untuk aplikasi MA.
Metode Eksperimental
Sintesis HPSC
Untuk preparasi HPSC, dimethicone (Reagen Kimia Sinopharm) dan KH-570 (Reagen Kimia Sinopharm) digunakan sebagai bahan baku untuk membuat prekursor. Pertama, mereka dicampur dengan rasio berat 19:1 dan kemudian diaduk pada 80 °C selama 6 h. Kedua, kain serat non-anyaman digunakan sebagai template melalui metode electrospinning. Satu gram bubuk poliakrilonitril (PAN; Macklin) dilarutkan dalam 9,0 g N ,T -dimethylformamide (DMF; Sinopharm Chemical Reagent) pelarut dengan pengadukan selama 5 h. Selanjutnya, elektrospinning dilakukan pada tegangan 18 kV dan laju pengumpanan 10 μL/menit. Untuk mendapatkan prekursor/hibrida PAN, prekursor yang disiapkan disuntikkan ke dalam kain PAN. Akhirnya, hibrida dipanaskan hingga 1000 °C selama 2 jam pada laju pemanasan 2 °C/menit di bawah atmosfer argon. Setelah pendinginan, HPSC dikumpulkan tanpa perawatan lebih lanjut.
Karakterisasi
Morfologi sampel diselidiki dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM; FEI Apreo). Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Thermo-VG Scientific, ESCALAB 250) digunakan dengan sumber sinar-X Al-Kα monokromatik (energi eksitasi =1486 eV). Spektrum Raman diuji melalui spektrometer Raman confocal mikroskopis (Renishaw RM2000) dengan panjang gelombang 514 nm pada suhu kamar. Komposisi sampel dipelajari dengan difraksi sinar-X (XRD) dengan difraktometer sinar-X Rigaku D/max-RB12 dengan radiasi Cu Kα. Analisis termogravimetri (TGA) direkam pada penganalisis TGA/Q5000IR di bawah atmosfer sekitar. Isoterm adsorpsi dan desorpsi nitrogen diukur dengan ASAP 2020 Accelerated Surface Area dan instrumen Porosimetri.
Pengukuran Penyerapan Gelombang Mikro
Parameter elektromagnetik sampel yang dicampur dengan lilin (50 wt.%) diukur pada 2~18 GHz menggunakan penganalisis jaringan Vector (N5245A, Agilent). Nilai kerugian refleksi (RL) dihitung berdasarkan teori saluran transmisi menggunakan persamaan berikut [16, 17].
dimana εr dan μr adalah permitivitas dan permeabilitas kompleks relatif masing-masing, f adalah frekuensi gelombang mikro, d adalah ketebalan sampel, c adalah kecepatan gelombang mikro di ruang bebas, Zdi adalah impedansi masukan yang disamakan pada permukaan penyerap, dan Z0 adalah impedansi karakteristik udara [18].
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menunjukkan ilustrasi skema pembuatan HPSC. Langkah 1:prekursor dibuat dengan dimetikon dan KH-570, dan kain nanofiber PAN diperoleh melalui metode electrospinning. File tambahan 1:Gambar S1 menunjukkan gambar optik kain PAN (8 cm × 14 cm). File tambahan 1:Gambar S2 menunjukkan serat nano PAN cross-linked dengan diameter 378 nm. Serat silang ini membentuk sejumlah besar pori-pori, yang dapat langsung digunakan sebagai templat berpori. Langkah 2:prekursor yang telah disiapkan disuntikkan ke dalam kain PAN. Langkah 3:HPSC diperoleh setelah perlakuan panas. Setelah pirolisis dan stabilisasi, prekursor dan serat nano PAN masing-masing diubah menjadi keramik SiOC dan serat nano karbon (CNF). CNF dianggap sebagai tulang punggung untuk menopang struktur berpori, dan keramik SiOC dibungkus ke permukaan CNF. Dengan demikian, HPSC dibentuk melalui metode pirolisis template/prekursor. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, HPSCs menunjukkan sejumlah besar pori-pori dengan struktur berpori hierarkis. Gambar 2b menampilkan pori-pori tidak beraturan dengan ukuran 1,2 μm, sesuai dengan keluarnya gas (CH4 , H2 ) dalam proses pirolisis prekursor. Gambar 2 c dan d menunjukkan pori-pori yang jauh lebih seragam dengan ukuran 200 nm, yang sebagian besar dibangun oleh serat nano karbon ikatan silang.
Ilustrasi skema pembuatan HPSC
Gambar SEM HPSC pada perbesaran berbeda:a × 5.0 k, b × 10,0 k, c × 10,0 k, dan d × 50.0 k
Spektrum XPS (Gbr. 3) dilakukan untuk memverifikasi komposisi sampel HPSC. Spektrum survei (Gbr. 3a) memastikan keberadaan elemen Si, C, dan O dalam sampel HPSC. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, puncak lebar Si 2p menunjukkan tiga pita pas di sekitar 102,30, 103,15, dan 103,90 eV, masing-masing sesuai dengan ikatan C–Si–O, Si–O, dan O–Si–O [19 ]. Energi ikat yang lebih tinggi sebesar 103,90 eV untuk ikatan O–Si–O terutama disebabkan oleh elektronegativitas atom O yang lebih tinggi (3,610) dibandingkan atom C (2,544) dan Si (1,916). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3c, spektrum C1s menunjukkan adanya valensi yang berbeda di sekitar atom C yang berasal dari ikatan dengan unsur lain. Itu dapat dibagi menjadi tiga pita pada 284,60, 285.00, dan 285.90 eV, yang masing-masing terkait dengan ikatan C–C, C–Si–O, dan C–O [20]. Gambar 3d menunjukkan bahwa pita O 1s yang dipasang menunjukkan adanya ikatan Si–O (532,50 eV) dan O–Si–O (533,20 eV). Hasil XPS menunjukkan bahwa komponen SiOC telah berhasil diperoleh melalui metode pirolisis prekursor ini.
Spektrum XPS dari HPSC. a Spektrum survei. b Puncak Si 2p yang dipasang. c Puncak C 1s yang dipasang. d Puncak O 1s yang dipasang
Spektrum Raman (Gambar 4a) dilakukan untuk memastikan keberadaan fase karbon bebas dalam keramik SiOC. Spektrum Raman dapat dipasang ke pita D, G, T, dan D”. Pita D dan G tipikal terletak pada 1328 dan 1598 cm
−1
, menunjukkan struktur karbon amorf. Pita D dan T dianggap berasal dari relaksasi lubang elektron yang berasal dari karbon grafit yang tidak teratur, sedangkan pita D" dikaitkan dengan jelaga karbon amorf. Dan pita G sesuai dengan E2g mode yang timbul dari getaran peregangan dalam bidang sp
2
ikatan hibridisasi [21]. Pola XRD HPSC diplot dalam file tambahan 1:Gambar S3. Puncak yang luas sekitar 24,5° terutama dikaitkan dengan fase karbon amorf dalam keramik SiOC dan serat nano karbon yang diturunkan dari PAN [22, 23]. Karakterisasi TGA dilakukan untuk mengukur sifat anti-oksidasi HPSCs. Gambar 4b menunjukkan kurva TGA pada suhu 20~1000 °C di bawah atmosfer udara yang mengalir. Penurunan berat badan yang lemah adalah sekitar 5,1 wt.% dalam kisaran 450~800 °C, yang dikaitkan dengan oksidasi komponen karbon bebas dalam keramik SiOC. Berdasarkan hasil TGA, dapat disimpulkan bahwa HPSCs menunjukkan stabilitas termal dan sifat anti-oksidasi yang baik, dan serat karbon sebagai template telah sepenuhnya dibungkus dan dilindungi oleh keramik SiOC. N2 isoterm adsorpsi-desorpsi dilakukan untuk menyelidiki luas permukaan Brunauer-Emmet-Teller (BET) HPSCs. Gambar 4c menunjukkan perilaku tipe IV yang khas, mengungkapkan keberadaan mesopori dalam sampel HPSC. Dan HPSC menghasilkan luas permukaan BET sebesar 51,4 m
2
/G. Distribusi ukuran pori dipelajari dengan model Barrett–Joyner–Halenda (BJH). Gambar 4d menunjukkan bahwa HPSC juga memiliki banyak mesopori dengan diameter 20 nm.
a spektrum Raman. b Kurva TGA di bawah atmosfer udara. c N2 kurva adsorpsi-desorpsi. d Distribusi ukuran pori sampel HPSC
Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5a, kinerja MA HPSC diilustrasikan oleh kurva RL versus frekuensi pada ketebalan lapisan yang berbeda. HPSC memberikan RLmin yang optimal nilai 47,9 dB pada 12,24 GHz, dan EAB 4,56 GHz dalam kisaran 10,24~14.8 GHz dengan ketebalan yang sesuai 2,3 mm. RLmin nilainya bisa mencapai 23.8 dB pada 14.56 GHz, 47.9 pada 12.24 GHz, 45.5 pada 10.8 GHz, 26.6 pada 8.72 GHz, 23.5 pada 7.28 GHz, dan 20.3 dB pada 6.32 GHz dengan ketebalan 2.0, 2.3, 2.5 , 3.0, 3.5, dan 4.0 mm, masing-masing. Fenomena ini dapat diinterpretasikan dengan model pembatalan panjang gelombang seperempat, yang menggambarkan hubungan antara ketebalan yang cocok (tm ) dan frekuensi pencocokan yang sesuai (fm ) dengan persamaan berikut [24, 25].
Sifat MA dari HPSC. a kurva RL. b Permitivitas kompleks dan kurva kerugian tangen. c RLmin versus ketebalan peredam keramik berbasis Si serupa. d Ilustrasi skema mekanisme MA
Ketika tm dan fm memenuhi Persamaan. (3) nah, beda fasa antara gelombang datang dan gelombang pantul adalah 180°, yang berarti RLmin dapat diperoleh karena disipasi energi elektromagnetik pada antarmuka penyerap udara [26]. File tambahan 1:Gambar S4 menunjukkan tm versus fm kurva 1λ /4 untuk HPSC; terlihat bahwa \( {t}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{exp}} \) titik terletak di \( {t}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{ cal}} \), mengungkapkan bahwa model ini dapat menjelaskan hubungan antara tm dan fm dengan baik. Permitivitas kompleks sangat relevan dengan kinerja MA, dan kerugian tangen (tanδε =ε /ε ) umumnya digunakan untuk mengevaluasi kemampuan atenuasi MAM [27]. Bagian yang sebenarnya (ε ) mewakili kemampuan penyimpanan energi EM, sedangkan bagian imajiner (ε ) sesuai dengan kemampuan kehilangan energi EM [28]. Gambar 5b menampilkan permitivitas kompleks dan tanδε kurva HPSC. ε menurun di seluruh rentang, dan ε menghasilkan puncak di kisaran 9,2~13,6 GHz. Oleh karena itu, cokelatδε menunjukkan puncak relaksasi sekitar 12.0 GHz, yang mendekati (12.24 GHz) dari RLmin optimal . Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S5, bagian nyata dan imajiner dari permeabilitas kompleks hampir sama dengan 1 dan 0, masing-masing, yang dianggap berasal dari non-magnetisme HPSC. Gambar 5c menunjukkan perbandingan RLmin nilai versus ketebalan bahan keramik berbasis Si serupa dalam studi terbaru [12,13,14, 29,30,31,32,33,34,35]. File tambahan 1:Tabel S1 mencantumkan data MA terperinci dari semua referensi terkait. Dapat ditemukan bahwa HPSC tidak hanya memberikan nilai RL yang optimal tetapi juga memiliki ketebalan yang tipis.
Umumnya, konstanta redaman EM (α ) dianggap sebagai faktor penting untuk menilai kemampuan disipasi, dan dapat dinyatakan dengan Persamaan. (4) [36]. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S6, HPSC menunjukkan tren yang meningkat dan kemampuan atenuasi yang kuat dalam kisaran 2~18 GHz. Nilai-nilai ini jauh lebih besar daripada bahan berbasis Si serupa [31, 33]. Di sisi lain, pencocokan impedansi yang tepat menguntungkan untuk membuat lebih banyak gelombang mikro merambat ke bahan. Ketika nilai |Zdi/Z0 | sama dengan 1, artinya tidak ada pantulan gelombang datang pada permukaan penyerap udara [37]. Seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S7, |Zdi/Z0 | nilai HPSC mendekati 1 dalam kisaran paling banyak 2~18 GHz. Dan RLmin yang optimal nilai 47,9 dB diperoleh pada 12,24 GHz, dan |Z yang sesuai di/Z0 | nilai (0,994) hampir sama dengan 1. Gambar 5d menunjukkan kemungkinan mekanisme MA HPSC. Pertama, struktur berpori dapat memberikan kontribusi untuk memperpanjang hamburan EMW, meningkatkan redaman energi elektromagnetik [5]. Kedua, polarisasi dipolar timbul dari SiOC karena adanya SiOC, SiOx , dan karbon bebas [38]. Dan ada sejumlah besar batas butir dalam struktur SiOC amorf; itu adalah manfaat untuk meningkatkan polarisasi antarmuka. Ketiga, antarmuka yang melimpah antara CNFs dan SiOC memainkan peran penting dalam meningkatkan polarisasi antarmuka [39]. Keempat, CNFs cross-linked dapat menyediakan jalur transpor terus menerus untuk elektron bebas, yang menguntungkan untuk meningkatkan kehilangan konduktif [26, 40]. Pencocokan impedansi yang tepat dari HPSC mengungkapkan bahwa lebih banyak gelombang mikro yang dapat merambat ke peredam, dan dengan demikian, lebih banyak energi elektromagnetik yang dapat dihamburkan dan diubah menjadi panas atau energi lain. Berdasarkan aspek-aspek ini, HPSC menunjukkan kinerja MA yang mengesankan. Dan sifat MA dapat dioptimalkan dengan menyesuaikan komposisi kimia SiOC dan struktur berpori (ukuran pori, volume pori).
Kesimpulan
Singkatnya, HPSC telah berhasil diperoleh melalui metode template CNF. Gambar SEM dan hasil BET mengungkapkan struktur berpori hierarkis sampel SiOC. Hasil XPS menunjukkan bahwa SiOC dibentuk oleh SiOC, SiOx , dan komponen karbon bebas. HPSCs menunjukkan sifat anti-oksidasi yang baik menurut hasil TGA. Nilai RL dan EAB optimal HPSC dapat mencapai 47,9 dB dan 4,56 GHz pada ketebalan 2,3 mm, yang lebih maju di antara MAM serupa ini. Properti MA yang sangat baik berasal dari refleksi ganda, polarisasi, kerugian konduktif, dan efek pencocokan impedansi yang menguntungkan. HPSC dapat menjadi calon kandidat untuk aplikasi MA suhu tinggi karena sifat anti-oksidasi dan MA yang baik.
Ketersediaan Data dan Materi
Data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel dan file tambahannya.
