[发明专利]壳层形貌可控的核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球复合材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及壳层形貌可控的核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球复合材料及其制备和应用，选用无定型二氧化钛微球作为核心材料，经过聚乙烯吡咯烷酮包覆后将钴和锌离子螯合吸附在核心材料表面，随后加入2‑甲基咪唑得到前驱体双金属沸石咪唑酯包覆无定型二氧化钛微球复合材料，接着通过改变有机配体或煅烧温度，制得碳壳形貌可控的氮掺杂碳包覆金红石相二氧化钛微球复合材料。与现有技术相比，本发明的核壳结构复合材料在2.0‑18.0GHz频率范围内展现出优异的电磁波损耗能力。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，涉及一种壳层形貌可控的核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球复合材料及其制备和应用。

背景技术

当代科学技术水平日益提高，先进的电子产品给我们带来了巨大的便利，使得人们的日常生活和工作中充斥着各类新型电子器械，例如医疗仪器、通讯工具、5G产品等等。然而电子设备工作时所产生的电磁辐射会引起人体组织损伤、信号干扰失真等问题，因此电磁辐射已然成为全球又一大环境安全污染问题。目前，专家们已经开始致力于研究解决电磁污染的方法，其中吸波材料涂层是当下研究的重点。电磁波吸收材料利用物质本征或非本征特性将电磁能转化为其他形式的能量而耗散，以能量转换的方式消除电磁污染。吸波材料对电磁波的损耗机制主要分为磁介质主导的磁化损耗以及电介质和电导体控制的介电损耗。其中，介电损耗型吸波材料具备密度小、耐候性好、性能强劲等特点，在吸波领域中广泛应用。此外，核壳结构复合材料能够调节物质阻抗匹配特性，利用组分间的协同效应，同时还具有异质接触所提供的界面极化效应，这些都促进了复合材料的吸波性能。因此，合理设计微观形貌并制备出颗粒分散性好的介电损耗型复合吸波材料是缓解电磁污染的重要手段。

半导体材料二氧化钛常应用于催化、有机光电和能源等领域。由于物质内部缺乏电介质极化损耗及铁磁共振能力，纯二氧化钛在2.0-18.0GHz频段的电磁波响应能力较弱。目前，以二氧化钛为基本材料的改性主要基于构造多晶相、晶态/非晶态界面或者晶格缺陷等方法来改良其微波吸收性能，例如高温高压煅烧、阳极氧化等等。然而上述方法会产生额外的能源消耗，并且产物颗粒也会出现较为严重的团聚现象从而影响材料综合性能。因此，亟待开发一种较为简易及低耗的制备方法用以提升二氧化钛基吸波材料的性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种壳层形貌可控的核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球复合材料及其制备和应用。

通过研究发现，由于高导电性碳材料表面存在较为严重的反射现象，不满足阻抗匹配原则，不利于电磁波传输至物质内部进行损耗，因而用于微波吸收领域时通常需要进行一些特定的处理，如形貌设计、与磁介质复合提升磁化损耗或者与电介质复合改善介电损耗。基于此，制备得一系列壳层形貌可控的核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球复合材料。通过调节前驱体碳组分和煅烧温度，复合材料的微观结构会发生较大的变化，而结构会影响物质的电磁参数与阻抗匹配特性，最终达到精准调控复合材料吸波性能的目的。其中，二氧化钛核心颗粒体提供了大量的异质接触面积，碳壳改善了复合材料的电导损耗性能，两者结合产生的协同与互偿效应促进了复合材料的极化损耗和电导损耗，有助于增强复合材料对电磁波的衰减能力。

本发明采用高效、简洁的液相反应方法来合成前驱体双金属沸石咪唑酯包覆二氧化钛微球。在惰性气氛下煅烧后，产物颗粒分散性较好，并未出现明显的团聚现象。同时这种核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球在微波吸收领域上表现出优异的综合性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提出了一种壳层形貌可控的核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取氨水和去离子水加入到乙腈和无水乙醇的混合溶液中，搅拌至溶液均一透明，再加入钛酸四正丁酯作为钛源，反应，分离，干燥，得到无定型二氧化钛微球；