[发明专利]具有多级核壳结构的二氧化铈微球及其制备方法和应用

说明书

本发明属于功能材料技术领域，具体为一种具有多级核壳结构的二氧化铈微球及其制备方法和应用。本发明采用溶剂热法，使用3‑巯基丙酸为酸，无水甲醇作溶剂，合成了“俄罗斯套娃”状的二氧化铈多级核壳结构的微球。本发明制备的多级核壳结构的二氧化铈微球具有低密度，强吸收和宽频带的特点，作为微波吸收材料，表现出优异的吸波性能，在2‑18GHz的测试范围内，二氧化铈在频率为14.47GHz时，具有最强吸收为‑71.39dB和最大有效吸收带宽（‑10 dB）约5.4 GHz。另外，该材料的制备成本低、效率高，适合实际应用。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种具有多级核壳结构的二氧化铈微球材料及其制备方法，以及在微波吸收中的应用。

背景技术

目前，电磁干扰已经成为电子安全和军事目标隐身领域的一个重要问题^[1-5]。因此，高性能微波吸收体的研究引起了高度的重视。具有很强的微波吸收性能的由磁损耗作为主导作用的铁氧体^[6]，钴^[5]，镍^[7]，和磁性复合材料^[8]已成为热门话题。然而，这些磁性材料通常会受到高密度，低居里温度和弱腐蚀性的影响，这限制了它们在微波吸收领域的应用。同时，碳衍生物^[3]，导电聚合物^[9]，二氧化硅^[10],氧化锌^[11]，钛酸钡^[12]等纯介电损耗类型的吸波物质难以满足强微波吸收的关键应用要求。考虑到这些，同时含有介电材料和磁性材料的核壳结构的复合材料，如钴镍@二氧化硅@二氧化钛球^[4]，镍@二氧化锡球^[1]，四氧化三铁@二氧化锡^[13]，四氧化三铁@氧化锌^[14]和四氧化三铁@碳^[15]。虽然复合材料的阻抗匹配得到改善，但其吸收性能仍然不足。近年来，单核@多层壳已被广泛应用于许多领域，如生物催化^[16]，光催化^[17]，电催化^[18]和微波吸收^[5]等.具有丰富界面的微波吸收剂会有利于微波的多重散射。因此，设计和制备出具有多级结构和大量界面的核/蛋黄壳结构的复合材料是解决上述问题的关键。然而，多核/蛋黄壳材料的合成步骤通常都是很繁琐的。

二氧化铈是一种很受关注的稀土化合物，已广泛应用于各个领域，例如：催化^[20]，太阳能电池^[21]，和光催化^[22]。一方面，二氧化铈的性能主要取决于固有的缺陷，如由三价铈和四价铈之间发生氧化还原反应而产生的氧空位和间隙原子缺陷^[20-21,23]。随着本征缺陷数量的增加，二氧化铈会发生极化，电导率和介电常数都会增加，这对于增强其电磁波干扰屏蔽效率是有利的。另一方面，外在可调控的形貌为调节微波吸收性能提供了一种实用的方法。据报道，二氧化铈的结构，物理和化学性质可以通过功能化以及与掺杂原子或其它化合物的复合来调节。例如，锌掺杂的二氧化铈或与聚苯胺和还原氧化石墨烯复合的二氧化铈的微波吸收性能显著增强^[2,25-26]。但是，具有多级结构形貌和优异的微波吸收性能的纯二氧化铈却很少报道过。

本发明选用一种高效、简单的溶剂热方法来合成具有独特多级核壳结构的二氧化铈微球。本发明还对形成这种特殊多级结构二氧化铈的微球进行了生长机理研究。这种具有复杂多级结构的二氧化铈微球作为微波吸收剂，表现出很强的微波吸收性能。

发明内容

本发明的目的在于提供低密度，强吸收以及宽频带的具有多级核壳结构的微波吸收材料，并提供该材料的制备方法和应用。

本发明提供的多级核壳结构的微波吸收材料为二氧化铈，二氧化铈是通过简单的溶剂热法制备，通过与聚乙烯吡咯烷酮以及3-巯基丙酸的相互作用，在奥斯瓦尔德熟化、柯肯达尔效应以及自刻蚀的作用下，形成多级核壳结构的微球。这种多级核壳结构称为“俄罗斯套娃”状结构。