CN112919544B - 一种低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法 - Google Patents

一种低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法。在本发明中，采用逐步水热法在WS2纳米片上织构棒状TiO2成功地合成了一种新型的WS2/TiO2杂化材料。负载10％TiO2的WS2/TiO2杂化材料在2.0‑6.0mm厚度下具有覆盖4.16‑18千兆赫频率(GHz)范围的有效电磁吸收带，厚度为5.30mm时在5.12GHz处的最小反射损耗可以达到‑43.9dB。该发明解决了现有的大多数电磁波吸收材料在低频段对电磁波吸收效果不明显的问题。本发明制备的WS2/TiO2复合材料重量轻、厚度薄、吸收频带宽、在低频段具有优异的电磁波吸收性能，主要应用于电磁波吸收领域。

Description

一种低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法
技术领域
本发明属电磁波吸收领域，特别涉及了一种低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法。新型吸波材料在技术上要求厚度薄、重量轻、吸收频带宽、吸收强度高且综合性能好。利用纳米材料特殊的电磁性能及介电性能研制杂化纳米吸波材料是实现该技术要求的有效途径。
背景技术
4G和5G通信技术为人类生活带来极大便利的同时，电信和电子设备产生的电磁波引起的电磁污染也严重威胁着人类的健康。监管和防治4G和5G频带(2-8GHz)中的电磁污染是一个巨大的挑战。基于此，开发用于低频、高性能吸收的电磁波吸收(EMWA)材料已成为电磁波污染防治领域的关键研究方向。金属磁性材料和磁性金属氧化物纳米颗粒由于其高饱和磁化强度，低Snoek极限和出色的磁性而被广泛用作低频EMWA材料。然而，磁性材料通常具有许多不可避免的缺点，例如高密度、吸收频带窄和耐腐蚀性差，这严重限制了它们的实际应用。因此，非常需要开发新型有效的低频EMWA材料。
二硫化钨(WS2)已被证明是理想的低频EMWA材料，因为它具有不同的1T相和2H相，以及重量轻且易于合成的优点。但是，单组分EMWA材料受到其低介电常数的限制，从而导致阻抗匹配性能较差，大多数电磁波都被反射，无法进行有效的吸收。为了克服这些困难，在WS2中引入其它的EMWA材料以构造二元甚至三元杂化材料被认为是可以通过改善阻抗匹配来增强电磁吸收的最有效方法。
半导体材料二氧化钛(TiO2)由于具有介电常数低和介电损耗高的特性，通常用于增强EMWA材料的介电损耗以增强电磁波吸收。如果引入具有介电常数低和介电损耗高的TiO2，可以改善WS2/TiO2杂化材料的介电性能，那么，TiO2可以用作制备电磁波吸收材料的基本组分。
发明内容
本发明涉及一种低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法，针对单一WS2吸波性能不理想的问题，采用氯化钨(WCl6)、硫代乙酰胺(CH3CSNH2)、钛酸丁酯(TBOT)和氢氟酸(HF)作为原材料，在合适的温度下通过逐步水热法制备了WS2/TiO2杂化材料，引入具有介电常数低和介电损耗高的特性的TiO2，来改善WS2/TiO2杂化材料的介电性能。
本发明涉及的一种具有低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法，具体操作如下：
首先，制备WS2纳米片。将2.23g WCl6和4.275g CH3CSNH2溶于75mL去离子水中(TiO2的含量在7.5％～15％之间)并转移至100mL聚四氟乙烯的不锈钢高压釜内。随后，在恒定搅拌下将混合物溶液加热至210℃并保持24h。溶液自然冷却至室温后，用去离子水和乙醇洗涤过滤2次，并在真空干燥箱中80℃干燥10h，以获得固体WS2纳米片。
其次，TiO2纳米片的制备方法与WS2纳米片相似。将25mL的TBOT和3mL的HF溶于75mL去离子水中并转移至100mL聚四氟乙烯的不锈钢高压釜内。随后，在恒定搅拌下将混合物溶液加热至180℃并保持24h。溶液自然冷却至室温后，用去离子水和乙醇洗涤过滤2次，直到其pH值达到7，最后在真空烘箱中60℃干燥得到TiO2纳米片。
最后，WS2/TiO2杂化材料通过一步水热法制备。将0.022g TiO2和0.2g WS2溶于75mL去离子水中并转移至100mL聚四氟乙烯的不锈钢高压釜内。随后，在恒定搅拌下将混合物溶液加热至180℃并保持3h。溶液自然冷却至室温后，用去离子水和乙醇洗涤过滤3次。最后在60℃的真空烘箱中干燥，得到黑色固体粉末为WS2/TiO2杂化材料。
本发明为实现上述发明目的设计了以下技术方案：
(1)称取2.23g WCl6和4.275g CH3CSNH2加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(2)将反应器设定为210℃保持持续搅拌24h。
(3)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次。
(4)将收集的黑色沉淀物在80℃的真空干燥箱中干燥10h，得到黑色固体粉末为WS2纳米片。
(5)称取25mL的TBOT和3mL的HF加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(6)将反应器设定为180℃保持持续搅拌24h。
(7)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次，直到pH值显示为中性。
(8)将收集的黑色沉淀物在60℃的真空干燥箱中干燥，得到黑色固体粉末为TiO2纳米片。
(9)称取0.022g TiO2和0.2g WS2加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(10)将反应器设定为180℃保持持续搅拌3h。
(11)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次。
(12)将收集的黑色沉淀物在60℃的真空干燥箱中干燥，得到黑色固体粉末为WS2/TiO2杂化材料。
有益之处
本发明涉及一种低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法，其制备方法有益之处在于：本发明选用的原料普遍且价格较为低廉，实验过程中原材料的使用量少；原材料之间配比简单，通过控制TiO2的用量可以使有效电磁吸收频带由高频段转移至低频段。本发明采用分步水热法，操作简单便捷，无其它副产物，绿色环保。本发明制备的WS2/TiO2杂化材料重量轻、厚度薄、吸收频带宽、在低频段具有优异的电磁波吸收性能，为后续低频段电磁吸收材料的研发提供了新思路。
附图说明
图1：本发明中WS2、TiO2和WS2/TiO2-10杂化材料样品的TEM图。
图2：本发明在2～18GHz下WS2/TiO2-10杂化材料对应不同厚度的反射损耗值。
具体实施方式
实施例1
(1)称取2.23g WCl6和4.275g CH3CSNH2加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(2)将反应器设定为210℃保持持续搅拌24h。
(3)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次。
(4)将收集的黑色沉淀物在80℃的真空干燥箱中干燥10h，得到黑色固体粉末为WS2纳米片。
(5)称取25mL的TBOT和3mL的HF加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(6)将反应器设定为180℃保持持续搅拌24h。
(7)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次，直到pH值显示为中性。
(8)将收集的黑色沉淀物在60℃的真空干燥箱中干燥，得到黑色固体粉末为TiO2纳米片。
(9)称取0.022g TiO2和0.2g WS2加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(10)将反应器设定为180℃保持持续搅拌3h。
(11)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次。
(12)将收集的黑色沉淀物在60℃的真空干燥箱中干燥，得到黑色固体粉末为WS2/TiO2杂化材料，TiO2的含量约为7.5％。为简单起见，将该产物表示为样品WS2/TiO2-10。
如图1所示，WS2/TiO2-10杂化材料由花瓣状WS2纳米片和四边形结构的TiO2纳米片构成。显然，在水热处理之后，TiO2纳米片均匀地附着在WS2纳米片上，导致WS2和TiO2之间的界面处有较大的接触面积。
图2表示了在2～18GHz下，WS2/TiO2-10样品在3.5～6.0mm之间的RL值曲线。在5.30mm样本厚度下，WS2/TiO2-10样品的最小RL值在5.12GHz时达到了-43.9dB。
实施例2
(1)称取2.23g WCl6和4.275g CH3CSNH2加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(2)将反应器设定为210℃保持持续搅拌24h。
(3)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次。
(4)将收集的黑色沉淀物在80℃的真空干燥箱中干燥10h，得到黑色固体粉末为WS2纳米片。
(5)称取25mL的TBOT和3mL的HF加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(6)将反应器设定为180℃保持持续搅拌24h。
(7)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次，直到pH值显示为中性。
(8)将收集的黑色沉淀物在60℃的真空干燥箱中干燥，得到黑色固体粉末为TiO2纳米片。
(9)称取0.016g TiO2和0.2g WS2加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(10)将反应器设定为180℃保持持续搅拌3h。
(11)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次。
(12)将收集的黑色沉淀物在60℃的真空干燥箱中干燥，得到黑色固体粉末为WS2/TiO2杂化材料，TiO2的含量约为10％。为简单起见，将该产物表示为样品WS2/TiO2-7.5。
实施例3
(1)称取2.23g WCl6和4.275g CH3CSNH2加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(2)将反应器设定为210℃保持持续搅拌24h。
(3)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次。
(4)将收集的黑色沉淀物在80℃的真空干燥箱中干燥10h，得到黑色固体粉末为WS2纳米片。
(5)称取25mL的TBOT和3mL的HF加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(6)将反应器设定为180℃保持持续搅拌24h。
(7)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次，直到pH值显示为中性。
(8)将收集的黑色沉淀物在60℃的真空干燥箱中干燥，得到黑色固体粉末为TiO2纳米片。
(9)称取0.035g TiO2和0.2g WS2加入到100mL的反应器中，向其中加入75mL的去离子水。
(10)将反应器设定为180℃保持持续搅拌3h。
(11)待反应器冷却至室温后，通过离心法提取黑色沉淀物，并用去离子水和无水乙醇洗涤2次。
(12)将收集的黑色沉淀物在60℃的真空干燥箱中干燥，得到黑色固体粉末为WS2/TiO2杂化材料，TiO2的含量约为15％。为简单起见，将该产物表示为样品WS2/TiO2-15。

Claims (1)

1.一种低频段电磁波吸收WS2/TiO2杂化材料的制备方法，其特征在于，按照以下方法进行制备：
首先，将2.23g WCl6和4.275g CH3CSNH2溶于75mL去离子水中并转移至100mL聚四氟乙烯的不锈钢高压釜内；随后，在恒定搅拌下将混合物溶液加热至210℃并保持24h；溶液自然冷却至室温后，用去离子水和乙醇洗涤过滤2次，并在真空干燥箱中80℃干燥10h，以获得固体WS2纳米片；
将25mL的TBOT和3mL的HF溶于75mL去离子水中并转移至100mL聚四氟乙烯的不锈钢高压釜内；随后，在恒定搅拌下将混合物溶液加热至180℃并保持24h；溶液自然冷却至室温后，用去离子水和乙醇洗涤过滤2次，直到其pH值达到7，最后在真空烘箱中60℃干燥得到TiO2纳米片；
WS2/TiO2杂化材料通过一步水热法制备；首先，将0.022g TiO2和0.2gWS2溶于75mL去离子水中并转移至100mL聚四氟乙烯的不锈钢高压釜内；随后，在恒定搅拌下将混合物溶液加热至180℃并保持3h；溶液自然冷却至室温后，用去离子水和乙醇洗涤过滤3次；最后在60℃的真空烘箱中干燥，得到黑色固体粉末为WS2/TiO2复合材料。
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