계층적 다공성 SiOC 세라믹(HPSC)은 전구체(디메티콘과 KH-570의 혼합물)와 폴리아크릴로니트릴 나노섬유(다공성 템플릿)의 열분해에 의해 준비되었습니다. HPSC는 BET 표면적이 51.4 m 2 인 계층적 다공성 구조를 가지고 있습니다. /g 및 우수한 항산화 특성을 가지고 있습니다(단 5.1 wt.% 중량 감소). 다공성 구조로 인해 HPSC는 12.24 GHz에서 − 47.9 dB의 최적 반사 손실 값과 2.3 mm 두께에서 4.56 GHz의 유효 흡수 대역폭을 제공합니다. 비정질 SiOC, SiOx , SiOC 내의 자유 탄소 성분은 쌍극자 분극을 향상시키는 데 기여합니다. 게다가, SiOC와 탄소나노섬유(CNF) 사이의 풍부한 계면은 계면 분극 개선에 유리하다. 가교된 CNF에서 발생하는 전도 손실은 마이크로파 흡수 성능을 높일 수도 있습니다.
무선통신 기술의 급속한 발전과 함께 불필요한 전자파(EMW)는 정밀기기, 국가안보, 심지어 인간의 건강까지 위협하는 새로운 형태의 공해로 인식되고 있다[1,2,3]. 바람직하지 않은 전자파 오염을 억제하기 위한 고성능 마이크로파 흡수 재료(MAM)의 개발이 시급하다. 최근 다공성 구조는 전파 경로를 연장하고 마이크로파 산란을 개선하여 마이크로파 흡수 성능을 향상시키는 데 유리한 것으로 입증되었습니다. 예를 들어, Yin et al. 셀룰러 폼의 매우 넓은 유효 마이크로파 대역이 29.7 GHz에 도달하는 것은 잘 연결된 다공성 구조로 인해 발생한다고 발표했습니다[4]. Li et al. 다공성 탄소가 최소 반사 손실을 제공한다고 보고했습니다(RLmin ) - 56.4 dB의 값은 편광 능력 및 다중 반사의 개선으로 인한 것입니다[5]. 또한 다공성 재료는 일반적으로 고급 MAM의 경량 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 따라서 다공성 구조를 설계하는 것은 MAM의 MA 특성을 향상시키는 효율적인 전략입니다.
이러한 다공성 물질 중 떠오르는 별인 다공성 세라믹은 항산화, 낮은 열팽창, 화학적 및 물리적 내구성 특성으로 인해 많은 관심을 받고 있다[6, 7]. 따라서 촉매 반응기, 여과, 열 에너지 저장, 수처리 및 MAM과 같은 일련의 응용 분야와 매우 관련이 있습니다[8,9,10,11]. 이전 연구에 따르면 SiOC 세라믹은 비정질 상(SiOC의 복잡한 구성 요소, SiOx , 및 자유 탄소), 저비용 및 경량 기능 [12,13,14,15]. 자유 탄소 성분의 존재로 인해 SiOC 재료의 전기 전도도는 SiC(광대역 갭 반도체)보다 훨씬 높아 전자 쌍극자 분극 손실이 더 높아집니다. 예를 들어, Yin et al. RLmin SiOC 세라믹의 값은 - 46 dB에 도달할 수 있으며 우수한 MA 능력은 주로 SiC 및 자유 탄소 상에서 발생하는 쌍극자 분극에 기인합니다[14]. 그러나 MA 애플리케이션을 위한 다공성 SiOC 구조 설계에 대한 보고서는 거의 없습니다. 무엇보다 고성능 마이크로파 흡수체로 다공성 SiOC 세라믹을 제조하는 손쉬운 방법 개발이 기대된다.
여기에서 계층적 다공성 SiOC 세라믹(HPSC)은 단순한 전구체와 부직포 템플릿을 통합하여 구성되었습니다. XPS 결과는 SiOC 세라믹이 SiOC, SiOx로 구성되어 있음을 보여줍니다. , 및 자유 탄소. 전송선 이론에 따라 HPSC는 − 47.9 dB의 최적 RL 값과 4.56 GHz의 유효 흡수 대역폭(EAB)을 제공합니다. 좋은 MA 성능은 다중 반사, 다양한 편광 및 전도성 손실에 기인합니다. 이 손쉬운 접근 방식은 MA 응용 분야를 위한 폴리머 유래 다공성 세라믹 제조를 향한 새로운 길을 열 수 있습니다.
HPSC 제조를 위해 디메티콘(Sinopharm Chemical Reagent) 및 KH-570(Sinopharm Chemical Reagent)을 원료로 사용하여 전구체를 제조하였다. 먼저 19:1의 중량비로 혼합한 후 80 ℃에서 6 시간 동안 교반하였다. 둘째, 전기방사법을 통해 부직포를 주형으로 사용하였다. 1g의 폴리아크릴로니트릴(PAN; Macklin) 분말을 9.0 g N ,N -디메틸포름아미드(DMF; Sinopharm Chemical Reagent) 용매와 5시간 동안 교반. 그 후, 18 kV의 전압과 10 μL/min의 공급 속도에서 전기방사를 수행하였다. 전구체/PAN 하이브리드를 얻기 위해 준비된 전구체를 PAN 직물에 주입하였다. 마지막으로, 하이브리드는 아르곤 분위기에서 2 °C/min의 가열 속도로 2 시간 동안 1000 °C로 가열되었습니다. 냉각 후 HPSC를 추가 처리 없이 수집했습니다.
샘플의 형태는 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM; FEI Apreo)에 의해 조사되었습니다. X선 광전자 분광법(XPS, Thermo-VG Scientific, ESCALAB 250)은 단색 Al-Kα X선 소스(여기 에너지 =1486 eV)와 함께 사용되었습니다. 라만 스펙트럼은 실온에서 파장이 514 nm인 미세한 공초점 라만 분광계(Renishaw RM2000)를 통해 테스트되었습니다. 샘플의 조성은 Cu Kα 방사선을 사용하는 Rigaku D/max-RB12 X선 회절계에 의한 X선 회절(XRD)에 의해 연구되었습니다. 열중량 분석(TGA)은 주변 대기 하에 TGA/Q5000IR 분석기에서 기록되었습니다. 질소 흡착 및 탈착 등온선은 ASAP 2020 Accelerated Surface Area and Porosimetry 기기로 측정되었습니다.
왁스(50 wt.%)가 혼합된 시료의 전자기파 파라미터는 Vector network Analyzer(N5245A, Agilent)를 사용하여 2~18 GHz에서 측정되었습니다. 반사 손실(RL) 값은 전송선 이론에 따라 다음 식을 사용하여 계산되었습니다[16, 17].
$$ {Z}_{\mathrm{in}}={Z}_0{\left({\mu}_r/{\varepsilon}_r\right)}^{1/2}\tanh \left[j\ 왼쪽(2\pi fd/c\right){\left({\mu}_r/{\varepsilon}_r\right)}^{1/2}\right] $$ (1) $$ RL=20\ log \mid \left({Z}_{\mathrm{in}}-{Z}_0\right)/\left({Z}_{\mathrm{in}}+{Z}_0\right)\mid $$ (2)여기서 ε r 그리고 μ r 각각 상대 복소 유전율 및 투자율, f 마이크로파의 주파수, d 샘플의 두께, c 자유 공간에서 마이크로파의 속도, Z 안에 는 흡수체 표면의 집중 입력 임피던스이고, Z 0 는 공기의 특성 임피던스[18]입니다.
그림 1은 HPSC 제조의 개략도를 보여줍니다. 단계 1:디메티콘과 KH-570으로 전구체를 제조하고, 전기방사법을 통해 PAN 나노섬유 직물을 얻었다. 추가 파일 1:그림 S1은 PAN 직물(8 cm × 14 cm)의 광학 이미지를 보여줍니다. 추가 파일 1:그림 S2는 직경이 378 nm인 가교 PAN 나노섬유를 보여줍니다. 이러한 가교된 섬유는 많은 수의 기공을 형성하여 다공성 템플릿으로 직접 사용할 수 있습니다. 2단계:준비된 전구체를 PAN 직물에 주입합니다. 3단계:열처리 후 HPSC를 얻었다. 열분해 및 안정화 후 전구체 및 PAN 나노섬유는 각각 SiOC 세라믹 및 탄소 나노섬유(CNF)로 변형되었습니다. CNF는 다공성 구조를 지탱하는 백본으로 간주되며 SiOC 세라믹은 CNF의 표면에 싸여 있습니다. 따라서 HPSC는 주형/전구체 열분해 방법을 통해 형성되었습니다. 도 2a에 도시된 바와 같이, HPSC는 계층적 다공성 구조를 갖는 다수의 기공을 나타낸다. 그림 2b는 1.2 μm 크기의 불규칙한 기공을 표시하며, 이는 기체(CH4 , H2 ) 전구체 열분해 공정에서. 그림 2의 c와 d는 200 nm 크기의 훨씬 더 균일한 기공을 나타내며 주로 가교된 탄소나노섬유로 구성됩니다.
<그림>
HPSC 제작의 개략도
<그림>
다른 배율에서 HPSC의 SEM 이미지:a × 5.0 k, b × 10.0 k, c × 10.0 k 및 d × 50.0 k
XPS 스펙트럼(그림 3)은 HPSC 샘플의 구성을 확인하기 위해 수행됩니다. 조사 스펙트럼(그림 3a)은 HPSC 샘플 내의 Si, C 및 O 요소의 존재를 확인합니다. 그림 3b에서 보듯이 Si 2p의 넓은 피크는 102.30, 103.15, 103.90 eV 부근에서 3개의 띠를 나타내며, 이는 각각 C-Si-O, Si-O, O-Si-O 결합에 해당한다[19 ]. O-Si-O 결합에 대한 103.90 eV의 더 높은 결합 에너지는 주로 C(2.544) 및 Si(1.916) 원자보다 O 원자(3.610)의 더 높은 전기 음성도에 기인합니다. 도 3c에 도시된 바와 같이, C1s의 스펙트럼은 다른 원소와의 결합에서 기인하는 C 원자 주위에 상이한 원자가의 존재를 나타낸다. 284.60, 285.00, 285.90 eV에서 3개의 밴드로 나눌 수 있는데, 각각 C-C, C-Si-O, C-O 결합과 관련이 있다[20]. 그림 3d는 장착된 O 1s 밴드가 Si-O(532.50 eV) 및 O-Si-O(533.20 eV) 결합의 존재를 시사함을 보여줍니다. XPS 결과는 SiOC 성분이 이 전구체 열분해 방법을 통해 성공적으로 획득되었음을 나타냅니다.
<사진>
HPSC의 XPS 스펙트럼. 아 조사 스펙트럼. ㄴ 장착된 Si 2p 피크. ㄷ 장착된 C 1s 피크. d 장착된 O 1s 피크
라만 스펙트럼(그림 4a)은 SiOC 세라믹 내에 자유 탄소 상의 존재를 확인하기 위해 수행되었습니다. 라만 스펙트럼은 D, G, T 및 D” 밴드에 맞출 수 있습니다. 일반적인 D 및 G 밴드는 1328 및 1598 cm −1 에 있습니다. , 비정질 탄소 구조를 나타냅니다. D 밴드와 T 밴드는 무질서한 흑연 탄소에서 비롯된 전자-정공 이완에 기인하는 반면 D" 밴드는 비정질 탄소 그을음과 관련이 있습니다. 그리고 G 밴드는 E2g에 해당합니다. sp 2 의 면내 신축 진동에서 발생하는 모드 하이브리드 결합 [21]. HPSC의 XRD 패턴은 추가 파일 1:그림 S3에 표시됩니다. 24.5° 부근의 넓은 피크는 주로 SiOC 세라믹 및 PAN에서 파생된 탄소 나노섬유 내의 비정질 탄소상에 기인합니다[22, 23]. TGA 특성화는 HPSC의 항산화 특성을 측정하기 위해 수행되었습니다. 그림 4b는 유동 공기 분위기에서 20~1000 °C의 온도에서 TGA 곡선을 보여줍니다. 약한 중량 손실은 450~800 °C 범위에서 약 5.1 wt.%이며, 이는 SiOC 세라믹 내 유리 탄소 성분의 산화에 기인합니다. TGA 결과를 바탕으로 HPSC는 우수한 열 안정성과 항산화 특성을 나타내며 템플릿인 탄소 섬유는 SiOC 세라믹으로 완전히 감싸 보호된다는 결론을 내릴 수 있습니다. N2 흡착-탈착 등온선은 HPSC의 BET(Brunauer-Emmet-Teller) 표면적을 조사하기 위해 수행됩니다. 그림 4c는 HPSC 샘플에서 중간 기공의 존재를 나타내는 전형적인 유형 IV 거동을 보여줍니다. HPSC는 51.4 m 2 의 BET 표면적을 제공합니다. /G. 기공 크기 분포는 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 모델에 의해 연구됩니다. 그림 4d는 HPSC가 직경이 20 nm인 많은 중간 기공을 가지고 있음을 보여줍니다.
<그림>
아 라만 스펙트럼. ㄴ 대기 중 TGA 곡선. ㄷ N2 흡착-탈착 곡선. d HPSC 샘플의 기공 크기 분포
그림 5a에서 볼 수 있듯이 HPSC의 MA 성능은 서로 다른 층 두께에서 주파수에 대한 RL 곡선으로 설명됩니다. HPSC는 최적의 RLmin을 제공합니다. 12.24 GHz에서 − 47.9 dB의 값, 2.3 mm의 일치하는 두께로 10.24~14.8 GHz 범위에서 4.56 GHz의 EAB. RL최소 7.28 GHz에서 23.5을하고, - -, 8.72 GHz에서 26.6을 - 10.8 GHz에서 45.5을 - 12.24 GHz에서 47.9을 - 14.56 GHz에서 23.8 dB을 - 값에 도달 할 수 20.3 dB를 6.32 GHz에서 2.0, 2.3, 2.5의 두께로 , 3.0, 3.5 및 4.0 mm. 이 현상은 일치하는 두께(t m ) 및 해당 일치 빈도(f m ) 다음 식 [24, 25]에 의해.
$$ {t}_{\mathrm{m}}=n\lambda /4=nc/\left(4\ {f}_{\mathrm{m}}\ \sqrt{\left|{\varepsilon}_r \right|\left|{\mu}_r\right|}\right)\kern1.25em n=\left(1,3,5,\dots \right) $$ (3) <그림><소스 유형="이미지/웹" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-3253-y/MediaObjects/11671_2020_3253_Fig5_HTML.png?as=/출처>
HPSC의 MA 속성. 아 RL 곡선. ㄴ 복잡한 유전율 및 접선 손실 곡선. ㄷ RL분 유사한 Si 기반 세라믹 흡수재의 두께에 비해 d MA 메커니즘의 개략도
t 때 m 그리고 f m 식을 만나다 (3) 음, 입사파와 반사파의 위상차가 180°이므로 RLmin 공기-흡수기 경계면에서 전자기 에너지의 소산으로 인해 얻을 수 있습니다[26]. 추가 파일 1:그림 S4는 t m 대 f m 1λ의 곡선 /4 HPSC의 경우; \( {t}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{exp}} \) 점이 \( {t}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{ cal}} \) 줄, 이 모델이 t 사이의 관계를 설명할 수 있음을 나타냅니다. m 그리고 f m 잘. 복소 유전율은 MA 성능 및 탄젠트 손실(tanδε =ε ″/ε ')는 일반적으로 MAM의 감쇠 능력을 평가하는 데 사용됩니다[27]. 실수부(ε ')는 EM 에너지의 저장 능력을 나타내며, 허수부(ε)는 ″)는 EM 에너지의 손실 능력에 해당합니다[28]. 그림 5b는 복소 유전율과 tanδε을 보여줍니다. HPSC의 곡선. ε '는 전체 범위에서 감소하고 ε ″는 9.2~13.6 GHz 범위에서 피크를 제공합니다. 따라서 tanδε 최적의 RLmin의 (12.24 GHz)에 가까운 12.0 GHz 부근에서 이완 피크를 나타냅니다. . 추가 파일 1:그림 S5에서 볼 수 있듯이 복소 투자율의 실수 부분과 허수 부분은 각각 1과 0과 거의 같으며 이는 HPSC의 비자성에 기인합니다. 그림 5c는 RLmin의 비교를 보여줍니다. 최근 연구에서 유사한 Si 기반 세라믹 재료의 값 대 두께 [12,13,14, 29,30,31,32,33,34,35]. 추가 파일 1:표 S1은 모든 관련 참조의 자세한 MA 데이터를 나열합니다. HPSC는 최적의 RL 값을 제공할 뿐만 아니라 얇은 두께를 가지고 있음을 알 수 있습니다.
$$ \alpha =\frac{\sqrt{2}\pi f}{c}\times \sqrt{\left({\mu}^{\prime \prime }{\varepsilon}^{\prime \prime } -\mu^{\prime}\varepsilon^{\prime}\right)+\sqrt{\left({\mu}^{\prime \prime }{\varepsilon}^{\prime \prime }-\mu ^{\prime}\varepsilon^{\prime}\right)+\left({\mu}^{\prime \prime }{\varepsilon}^{\prime }+\mu^{\prime}\varepsilon^ {\prime\prime}\right)}} $$ (4)일반적으로 EM 감쇠 상수(α )은 소산능력을 평가하는 중요한 인자로 간주되며, 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. (4) [36]. 추가 파일 1:그림 S6에서 볼 수 있듯이 HPSC는 2~18 GHz 범위에서 증가하는 추세와 강력한 감쇠 능력을 보여줍니다. 이 값은 유사한 Si 기반 재료의 값보다 훨씬 큽니다[31, 33]. 반면에 적절한 임피던스 매칭은 더 많은 마이크로파가 재료로 전파되도록 하는 데 유리합니다. |Z 값이 안에 /Z 0 | 가 1이면 공기 흡수체 표면에서 입사파의 반사가 없음을 의미합니다[37]. 추가 파일 1:그림 S7과 같이 |Z 안에 /Z 0 | HPSC의 값은 2~18 GHz의 대부분의 범위에서 1에 가깝습니다. 그리고 최적의 RLmin − 47.9 dB의 값은 12.24 GHz에서 얻어지며 해당 |Z 안에 /Z 0 | 값(0.994)은 거의 1과 같습니다. 그림 5d는 HPSC의 가능한 MA 메커니즘을 보여줍니다. 첫째, 다공성 구조는 EMW의 산란을 확장하여 전자기 에너지의 감쇠를 향상시키는 데 기여할 수 있습니다[5]. 둘째, SiOC, SiOx의 존재로 인해 SiOC에서 쌍극자 분극이 발생합니다. , 그리고 자유 탄소 [38]. 그리고 비정질 SiOC 구조 내에는 많은 양의 결정립계가 있습니다. 계면 분극을 향상시키는 이점이 있습니다. 셋째, CNF와 SiOC 사이의 풍부한 계면은 계면 분극을 높이는 데 중요한 역할을 합니다[39]. 넷째, 가교된 CNF는 자유 전자에 대한 연속적인 수송 경로를 제공할 수 있으며 이는 전도성 손실을 향상시키는 데 유리합니다[26, 40]. HPSC의 적절한 임피던스 매칭은 더 많은 마이크로파가 흡수체로 전파될 수 있고 따라서 더 많은 전자기 에너지가 발산되고 열 또는 기타 에너지로 변환될 수 있음을 보여줍니다. 이러한 측면을 기반으로 HPSC는 인상적인 MA 성능을 보여줍니다. 그리고 MA 특성은 SiOC의 화학적 조성과 다공성 구조(기공 크기, 기공 부피)를 조정하여 최적화할 수 있습니다.
요약하면, HPSC는 CNF 템플릿 방법을 통해 성공적으로 획득되었습니다. SEM 이미지와 BET 결과는 SiOC 샘플의 계층적 다공성 구조를 나타냅니다. XPS 결과는 SiOC가 SiOC, SiOx에 의해 형성됨을 나타냅니다. , 및 자유 탄소 성분. HPSC는 TGA의 결과에 따라 우수한 항산화 특성을 나타냅니다. HPSC의 최적 RL 값 및 EAB는 2.3mm 두께에서 − 47.9 dB 및 4.56 GHz에 도달할 수 있으며, 이는 유사한 MAM 중에서 고급입니다. 우수한 MA 특성은 다중 반사, 편광, 전도성 손실 및 유리한 임피던스 매칭 효과에서 비롯됩니다. HPSC는 우수한 항산화 및 MA 특성으로 인해 고온 MA 적용의 잠재적 후보가 될 수 있습니다.
이 기사의 결론을 뒷받침하는 데이터는 기사 및 추가 파일에 포함되어 있습니다.
브루나우어-에밋-텔러
배렛–조이너–할렌다
탄소나노섬유
디메틸포름아미드
유효 흡수 대역폭
전자기파
전계 방출 주사 전자 현미경
계층적 다공성 SiOC 세라믹
마이크로파 흡수 재료
폴리아크릴로니트릴
최소 반사 손실
열중량 분석
X선 광전자 분광법
나노물질
초록 전 세계적으로 당뇨병 발병률이 매우 높아짐에 따라 포도당 농도를 신속하게 측정하기 위한 정확한 센서는 인체 건강에 매우 중요합니다. 본 연구에서는 구리 이온이 함침된 여과지를 고온에서 소성하여 합성된 다공성 탄소 기판(Cu NP@PC)에 수용된 구리 나노입자를 포도당의 전기화학적 감지를 위한 전극 활물질로 설계하였다. 다공성 탄소가 형성되는 동안 구리 나노 입자는 형성된 공극에 자발적으로 수용되어 반으로 덮인 복합재를 구성했습니다. 전기화학적 포도당 산화의 경우, 준비된 Cu NP@PC 합성물은 0.31mA/cm2의 전류 밀
도레이의 새로운 다공성 탄소 섬유(좌측 상단, 중공 중심 축 표시)는 전체 섬유(우측 상단)에 걸쳐 제어 가능한 나노 또는 마이크로 규모의 기공 구조를 특징으로 합니다. 그 다공성 구조는 물질을 가스 분리 막의 지지 구조로 유용할 수 있는 효과적인 여과 매체로 만드는 데 도움이 됩니다. 탄소는 또한 잘 알려진 흡착 특성(화학적 및 물리적 여과용)을 가지고 있고 효과적인 열 및 전기 전도체이기 때문에 다공성 탄소 섬유는 고급 배터리 시스템 및 화학 공정에 사용되는 촉매 담체에서도 사용될 수 있습니다. 출처 | 도레이산업(주) 201
