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CN113999651B - 一种镍钴双配体金属有机框架材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种镍钴双配体金属有机框架材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镍钴双配体金属有机框架材料及其制备方法和应用，其解决了现有材料对电磁波吸收机制单一、阻抗匹配性差、吸收效果较差的技术问题，本发明提供的镍钴双配体金属有机框架材料为核壳双层结构，核壳双层结构包括内核和外壳，内核为钴基金属有机框架材料，外壳为镍基有机框架材料。本发明同时提供了其制备方法和应用。本发明可用于电磁波吸收材料领域。

Description

一种镍钴双配体金属有机框架材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种电磁波吸收材料，具体地说，涉及一种镍钴双配体金属有机框架材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着电子技术的迅速发展，电磁技术也在飞速发展，电磁波广泛应用于科学研究、工业生产、日常生活等各个领域。由于在军事、工业和日常生活中广泛使用各种电气和电子设备，人们面临着因电磁波增加而造成的严重威胁，电磁辐射或污染对无论是设备的精度还是人类的健康都有危害。
与此同时，随着科技不断发展，5G渐渐融入现代生活，5G通信是传输速度更快、网络容量更大、时延更短的新一代通信技术，在不久的将来将会得到广泛的应用。它推动了电子通信设备、全球定位系统和便携式可穿戴技术的快速发展，以满足下一代传输信息通信的智能化、实时性和安全性要求,按照现有技术，5G电信最可能的工作频段为3.3～4.2GHz,4.5～5.0GHz和毫米波频段(主要为28GHz)，而在军事应用中，雷达信号的高效率吸收(GHz频段的电磁波，尤其是x波段的电磁波)被广泛认为是保证战机隐身性能的关键。解决这一挑战的关键是开发能够吸收电磁波的材料——吸波材料正是军事隐身、微波暗室、微波通讯、电磁信息泄漏防护、电磁干扰防护、电磁辐射防护等国防军工与民用技术领域中的关键材料之一。
一般来说，根据损耗机理来划分，电磁波吸收材料可分为三类：介电损耗吸收材料和磁损耗吸收材料及两种损耗材料的复合型材料，其中，对于介电损耗型吸波材料来说，它是通过材料间界面极化或偶极极化来损耗和吸收电磁波，其中，电磁波损耗机制包含分子极化、离子极化、界面极化和介质极化等，介电损耗通常包含导电损耗，界面极化及偶极极化等。如碳纳米管，石墨烯等为典型的介电损耗型材料，此外，对于磁损耗型吸波材料而言，吸波机制主要是依靠铁磁共振以及涡流效应等来衰减电磁波，如最为常见的铁氧体材料，由于其原料丰富，成本低而被广泛使用的最为传统的一种吸波材料，而由于上述两种吸收材料其吸收机制单一，导致其阻抗匹配性差，从而吸收效果较差。
发明内容
本发明就是为了解决现有材料对电磁波吸收机制单一、阻抗匹配性差、吸收效果较差的技术问题，提供一种镍钴双配体金属有机框架材料及其制备方法和应用。
为此，本发明提供一种镍钴双配体金属有机框架材料，其为核壳双层结构，所述核壳双层结构包括内核和外壳，所述内核为钴基金属有机框架材料，所述外壳为镍基有机框架材料。
本发明同时提供一种镍钴双配体金属有机框架材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)将钴离子化合物作为金属离子，咪类有机配体作为有机配体，通过在溶剂中的配位作用形成钴基金属有机框架材料，作为双金属有机框架材料的内部核壳层；(2)选取溶剂，制备含镍离子的种子溶液，将钴基金属有机框架材料置入所述种子溶液中，得到含镍离子种子层的钴基金属有机框架材料；(3)用甲苯类有机配体作为有机配体，将所述步骤(2)得到的含镍离子种子层的钴基金属有机框架材料与所述有机配体溶解在分散液中，形成混合液，倒入反应釜中反应，得到镍钴双配体金属有机框架材料前驱体；(4)将所述步骤(3)得到的镍钴双配体金属有机框架材料前驱体混合气氛围下，升温，冷却至室温，得到镍钴双配体金属有机框架材料。
优选的，所述步骤(1)中，所述钴离子化合物为六水合硝酸钴、七水合硫酸钴、六水合氯化钴之一种或其混合物。所述钴离子化合物溶解在无水甲醇、水或其混合物中，浓度范围为0.025mol/L～0.05mol/L；咪类有机配体溶解在无水甲醇、水或其混合物中，浓度范围为0.4mol/L～0.8mol/L。所述咪类有机配体为二甲基咪唑、乙氧基喹啉、苯并咪唑之一种或其混合物。在保持磁力搅拌下并将二甲基咪唑溶液缓慢加入六水合硝酸钴溶液中，随后保持300～450r/min的磁力搅拌下搅拌8～20分钟，并封口静置15～25小时；离心使用溶剂为甲醇/乙醇，并洗涤1～3次，最后60～90℃下烘干5～15小时。
优选的，所述步骤(2)中，溶剂为乙醇、甲醇、去离子水之一种或其混合物，钴基金属有机框架材料与种子溶液中镍化合物的质量比为1:(0.5～2)。待形成氯化镍溶液后加入钴基MOF，超声时间为10～30分钟，搅拌10～30分钟得到含镍离子种子层的钴基MOF。
优选的，所述步骤(3)中，所述甲苯类有机配体为均三甲苯、三硝基甲苯、二甲苯之一种或其混合物。甲苯类有机配体与镍化合物的摩尔比为1:(1～3)。离子水和DMF作为分散液，分散液在反应釜内胆中磁力搅拌转速为300～500r/min，搅拌时长20～45分钟；鼓风烘箱中在100～170℃下水热反应9～14小时；后处理时离心转速为5000～9000r/min，离心使用溶剂为乙醇/离子水，洗涤1～3次，最后60～90℃下烘干7～14小时。
优选的，将步骤(3)得到的产物，退火工艺及条件为在氩气/氮气/氩气氢气混合气氛围下，先以2～10℃/min升温至500～800℃，并保温1～3小时，过夜冷却至室温得到碳化MOF衍生物。
本发明同时提供一种镍钴双配体金属有机框架材料作为电磁屏蔽材料的应用。
优选的，本发明提供的镍钴双配体金属有机框架材料作为电磁屏蔽材料的应用，其将所述镍钴双配体金属有机框架材料填充到树脂或石蜡中，涂抹到物体表面，形成涂层，所述涂层厚度为1.13～3.35mm，所述镍钴双配体金属有机框架材料占所述涂层总重量40～50％。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用设计金属有机框架材料(MOF)结构的方式，通过控制第二配体与镍的比例，设计不同形貌的MOF前驱体，再利用还原氛围碳化前驱体得到新型MOF衍生物。本发明由于磁性金属芯的磁损耗和具有独特多孔结构的碳壳介电损耗，以及两组分之间的多重界面极化和偶极极化，该复合材料的电磁波吸收性能如最小反射损耗值和带宽范围较传统单一吸收机制的吸波填料大大增强；
(2)本发明通过调节双离子与双配体的比例，达到对前驱体MOF的形貌控制，可以由海胆状向棒状及花状转变，从而调节其介电损耗性能达到调节吸波性能的效果。
附图说明
图1是本发明实施例2制备的双离子双配体MOF-1:1图；放大倍数：15000倍；
图2是本发明实施例2制备的双离子双配体MOF-1:1图；放大倍数：30000倍。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
1)将六水合硝酸钴作为金属离子，二甲基咪唑作为有机配体，通过在甲醇溶剂中的配位作用形成钴基MOF，即通过一段时间的磁力搅拌及静置数小时得到钴基MOF，使其作为双MOF的内部核壳层；
将1.1488g六水合硝酸钴加入80ml无水甲醇作为A溶液(浓度：0.05mol/L)；将5.1904g二甲基咪唑加入80ml无水甲醇作为B溶液(浓度：0.8mol/L)；在保持100r/min的磁力搅拌下并将二甲基咪唑溶液缓慢加入六水合硝酸钴溶液中，随后保持360r/min的磁力搅拌下搅拌12分钟，离心使用溶剂为乙醇，并洗涤3次，最后60℃下烘干12小时。
2)以无水乙醇作为溶剂，按照钴基MOF与六水合氯化镍的质量比为1:1制备含镍离子的乙醇种子溶液，待形成氯化镍乙醇溶液后加入钴基MOF，将称好的钴基MOF在溶液中超声25分钟，搅拌10分钟得到含镍离子种子层的钴基MOF。
实施例2
1)将六水合氯化钴作为金属离子，苯并咪唑作为有机配体，通过在甲醇溶剂中的配位作用形成钴基MOF，即通过一段时间的磁力搅拌及静置数小时得到钴基MOF，使其作为双MOF的内部核壳层；
将0.4759g六水合氯化钴加入60ml无水甲醇作为A溶液(浓度：0.025mol/L)；将3.7390g苯并咪唑加入50ml无水甲醇作为B溶液(浓度：0.4mol/L)；在保持磁力搅拌下并将二甲基咪唑溶液缓慢加入六水合硝酸钴溶液中，随后保持300r/min的磁力搅拌下搅拌8分钟，离心使用溶剂为甲醇，并洗涤3次，最后60℃下烘干15小时。
2)以去离子水作为溶剂，按照钴基MOF与六水合氯化镍的质量比为2:1制备含镍离子的种子溶液，待形成氯化镍溶液后加入钴基MOF，将称好的钴基MOF在溶液中超声10分钟，搅拌30分钟得到含镍离子种子层的钴基MOF。
3)制备45ml分散液装入100ml反应釜内胆，其中乙醇：去离子水：DMF＝1:1:1；将得到的含镍离子种子层的钴基MOF及0.084g的均三甲苯加入分散液中，其中均三甲苯与六水合氯化镍的摩尔比为1:1；分散液在反应釜内胆中磁力搅拌转速为300r/min，搅拌时长为20分钟；将反应釜放入鼓风烘箱中，在170℃下水热反应9小时；待产物冷却后，将产物进行离心处理，离心转速为5000r/min，离心使用溶剂为去离子水，并洗涤2次，最后抽滤产物并在60℃下烘干14小时。从而得到海胆状双离子双配体MOF前驱体。
4)制备碳化MOF衍生物，即退火工艺及条件为在氩气/氢气混合气氛围下，以10℃/min升温至500℃，并保温1小时，过夜冷却至室温得到碳化MOF衍生物。
5)在2–18GHz范围内测试了镍钴双配体MOF衍生物的电磁参数，所制备的MOF衍生物先分散在树脂基体中，当填充量为40％时,材料厚度为1.13mm，其最佳反射损耗为-50.2dB。
实施例3
1)将七水合硫酸钴作为金属离子，二甲基咪唑作为有机配体，通过在去离子水溶剂中的配位作用形成钴基MOF，即通过一段时间的磁力搅拌及静置数小时得到钴基MOF，使其作为双MOF的内部核壳层；
将1.1100g七水合硫酸钴加入80ml去离子水作为A溶液(浓度：0.05mol/L)；将2.5952g二甲基咪唑加入80ml去离子水作为B溶液(浓度：0.4mol/L)；在保持磁力搅拌下并将二甲基咪唑溶液缓慢加入六水合硝酸钴溶液中，随后保持360r/min的磁力搅拌下搅拌12分钟，离心使用溶剂为乙醇，并洗涤2次，最后70℃下烘干9小时。
2)以无水乙醇作为溶剂，按照钴基MOF与六水合氯化镍的质量比为1:1制备含镍离子的乙醇种子溶液，待形成氯化镍乙醇溶液后加入钴基MOF，将称好的钴基MOF在溶液中超声20分钟，搅拌10分钟得到含镍离子种子层的钴基MOF。
3)制备60ml分散液装入100ml反应釜内胆，其中乙醇：去离子水：DMF＝1:1:1；将得到的含镍离子种子层的钴基MOF及0.037g的二甲苯加入分散液中，其中二甲苯与六水合氯化镍的摩尔比为1:2；分散液在反应釜内胆中磁力搅拌转速为420r/min，搅拌时长为35分钟；将反应釜放入鼓风烘箱中，在130℃下水热反应10小时；待产物冷却后，将产物进行离心处理，离心转速为8500r/min，离心使用溶剂为乙醇，并洗涤2次，最后抽滤产物并在70℃下烘干9小时。从而得到分散性较好的棒状双离子双配体MOF前驱体。
4)制备碳化MOF衍生物，即退火工艺及条件为在氩气氛围下，以2℃/min升温至700℃，并保温2小时，过夜冷却至室温得到碳化MOF衍生物。
5)在2–18GHz范围内测试了镍钴双配体MOF衍生物的电磁参数，所制备的MOF衍生物先分散在石蜡基体中，当填充量为50％时，材料厚度为3.35mm，其最佳反射损耗为-41.6dB。
实施例4
1)将六水合硝酸钴作为金属离子，二甲基咪唑作为有机配体，通过在甲醇溶剂中的配位作用形成钴基MOF，即通过的磁力搅拌及静置数小时得到钴基MOF，使其作为双MOF的内部核壳层；
将1.1488g六水合硝酸钴加入100ml无水甲醇作为A溶液(浓度：0.05mol/L)；将5.1904g二甲基咪唑加入100ml无水甲醇作为B溶液(浓度：0.8mol/L)；在保持的磁力搅拌下并将二甲基咪唑溶液缓慢加入六水合硝酸钴溶液中，随后保持450r/min的磁力搅拌下搅拌20分钟，离心使用溶剂为乙醇和甲醇，并各洗涤1次，最后90℃下烘干5小时。
2)以无水甲醇作为溶剂，按照钴基MOF与六水合氯化镍的质量比为1:2制备含镍离子的甲醇种子溶液，待形成氯化镍甲醇溶液后加入钴基MOF，将称好的钴基MOF在溶液中超声30分钟，搅拌20分钟得到含镍离子种子层的钴基MOF。
3)制备75ml分散液装入100ml反应釜内胆，其中乙醇：去离子水：DMF＝1:1:1；将得到的含镍离子种子层的钴基MOF及0.053g的三硝基甲苯加入分散液中，其中三硝基甲苯与六水合氯化镍的摩尔比为1:3；分散液在反应釜内胆中磁力搅拌转速为500r/min，搅拌时长为45分钟；将反应釜放入鼓风烘箱中，在100℃下水热反应14小时；待产物冷却后，将产物进行离心处理，离心转速为9000r/min，离心使用溶剂为乙醇及去离子水，并各洗涤1次，最后抽滤产物并在90℃下烘干7小时。从而得到花瓣状及部分棒状双离子双配体MOF前驱体。
4)制备碳化MOF衍生物，即退火工艺及条件为在氮气氛围下，以5℃/min升温至800℃，并保温3小时，过夜冷却至室温得到碳化MOF衍生物。
5)在2–18GHz范围内测试了镍钴双配体MOF衍生物的电磁参数，所制备的MOF衍生物先分散在树脂基体中，当填充量为40％时，材料厚度为1.59mm，其最佳反射损耗为-55.6dB。
对比例
1)将六水合硝酸钴作为金属离子，二甲基咪唑作为有机配体，通过在甲醇溶剂中的配位作用形成钴基MOF，即通过一段时间的磁力搅拌及静置数小时得到钴基MOF，使其作为双MOF的内部核壳层；
将1.1488g六水合硝酸钴加入80ml无水甲醇作为A溶液；将2.5952g二甲基咪唑加入80ml无水甲醇作为B溶液；在保持100r/min的磁力搅拌下并将二甲基咪唑溶液缓慢加入六水合硝酸钴溶液中，随后保持360r/min的磁力搅拌下搅拌12分钟，离心使用溶剂为乙醇，并洗涤3次，最后60℃下烘干12小时。
2)制备碳化MOF衍生物，即退火工艺及条件为在氮气氛围下，以5℃/min升温至800℃，并保温3小时，过夜冷却至室温得到碳化MOF衍生物。
3)在2–18GHz范围内测试了镍钴双配体MOF衍生物的电磁参数，所制备的MOF衍生物先分散在石蜡基体中，当填充量为40％时，材料厚度为3.15mm，其最佳反射损耗仅为-10.3dB。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (7)

1.一种镍钴双配体金属有机框架材料的制备方法，其特征是，所述镍钴双配体金属有机框架材料为核壳双层结构，所述核壳双层结构包括内核和外壳，所述内核为钴基金属有机框架材料，所述外壳为镍基有机框架材料；
所述镍钴双配体金属有机框架材料采用包括以下步骤的方法制得：
(1)将钴离子化合物作为金属离子，咪类有机配体作为有机配体，通过在溶剂中的配位作用形成钴基金属有机框架材料，作为双金属有机框架材料的内部核壳层；所述钴离子化合物为六水合硝酸钴、七水合硫酸钴、六水合氯化钴之一种或其混合物；所述咪类有机配体为二甲基咪唑、苯并咪唑之一种或其混合物；
(2)选取溶剂，制备含镍离子的种子溶液，将钴基金属有机框架材料置入所述种子溶液中，得到含镍离子种子层的钴基金属有机框架材料；
(3)用甲苯类有机配体作为有机配体，将所述步骤(2)得到的含镍离子种子层的钴基金属有机框架材料与所述有机配体溶解在分散液中，形成混合液，倒入反应釜中反应，得到镍钴双配体金属有机框架材料前驱体；所述甲苯类有机配体为均三甲苯、三硝基甲苯、二甲苯之一种或其混合物；
(4)将所述步骤(3)得到的镍钴双配体金属有机框架材料前驱体混合气氛围下，升温，冷却至室温，得到镍钴双配体金属有机框架材料。
2.根据权利要求1所述的镍钴双配体金属有机框架材料的制备方法，其包括在于，所述步骤(1)中，所述钴离子化合物溶解在无水甲醇、水或其混合物中，浓度范围为0.025mol/L～0.05mol/L；咪类有机配体溶解在无水甲醇、水或其混合物中，浓度范围为0.4mol/L～0.8mol/L。
3.根据权利要求1所述的镍钴双配体金属有机框架材料的制备方法，其包括在于，所述步骤(2)中，溶剂为乙醇、甲醇、去离子水之一种或其混合物，钴基金属有机框架材料与种子溶液中镍化合物的质量比为1:(0.5～2)。
4.根据权利要求1所述的镍钴双配体金属有机框架材料的制备方法，其包括在于，所述步骤(3)中，甲苯类有机配体与镍化合物的摩尔
比为1:(1～3)。
5.使用如权利要求1～4任一方法制得的镍钴双配体金属有机框架材料。
6.如权利要求5所述的镍钴双配体金属有机框架材料作为电磁波吸收材料的应用。
7.根据权利要求6所述的镍钴双配体金属有机框架材料作为电磁波吸收材料的应用，其特征是将所述镍钴双配体金属有机框架材料填充到树脂或石蜡中，涂抹到物体表面，形成涂层，所述涂层厚度为1.13～3.35mm，所述镍钴双配体金属有机框架材料占所述涂层总重量40～50％。
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