《Journal of Alloys and Compounds》：Calcination-Free Microwave Flash Synthesis of RGO/BaFe??O?? Nanocomposites with Preserved Conductivity and Induced Magnetism
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拉米·萨德克（Ramy Sadek）|马哈茂德·Y·佐拉伊尼（Mahmoud Y. Zorainy）|阿德里安·卡里略·加西亚（Adrián Carrillo García）|查尔斯·杜波依斯（Charles Dubois）|赫沙姆·坦塔维（Hesham Tantawy）|穆罕默
拉米·萨德克（Ramy Sadek）|马哈茂德·Y·佐拉伊尼（Mahmoud Y. Zorainy）|阿德里安·卡里略·加西亚（Adrián Carrillo García）|查尔斯·杜波依斯（Charles Dubois）|赫沙姆·坦塔维（Hesham Tantawy）|穆罕默德·S·沙拉维（Mohammad S. Sharawi）|贾马尔·肖基（Jamal Chaouki）
加拿大蒙特利尔理工学院化学工程系，蒙特利尔，H3C 3A7
摘要
本文开发了一种快速、可扩展且无需煅烧的原位微波闪蒸合成（MFS）方法，用于制备兼具导电性和磁性能的混合多功能还原氧化石墨烯-六铁氧体（RGO-BF）纳米复合材料。传统的煅烧方法需要高温（>700°C）来结晶六铁氧体，但这会破坏RGO的结构。通过利用RGO的强微波耦合效应，在辐照下产生局部热点，从而实现无需高温处理的快速原位铁氧体相结晶。该方法解决了铁氧体相结晶与石墨烯结构稳定性之间的固有矛盾。研究了RGO负载量（5%至10%）对相演变和磁性能的影响，以确定MFS的有效阈值。最佳RGO/BF纳米复合材料的饱和磁化为26.3 emu/g，矫顽力为174.1 Oe，剩磁率为4.3 emu/g，相当于传统煅烧六铁氧体磁化的46%，同时保持了约8 S/m的导电性。MFS方法显著降低了热处理时间和能耗。初步的技术经济分析表明，在魁北克进行规模化生产时，成本为36.7美元/千克，证明了该工艺的技术和经济可行性。这项工作展示了MFS作为一种无需高温煅烧即可设计多功能材料的方法。
引言
在现代电子、汽车、超级电容器、记录介质、电磁干扰（EMI）屏蔽和通信系统中，功能性材料的生产日益重要，这些领域需要轻质、多功能且可扩展的解决方案。将导电碳基材料与磁性铁氧体结合的混合纳米复合材料具有吸引力，因为它们能够在保持机械柔韧性和低密度的同时实现介电和磁损耗。在磁性材料中，六铁氧体（BaFe??O??，BF）因其高磁导率、高饱和磁化强度、大的磁各向异性、耐腐蚀性以及出色的化学和热稳定性而被广泛使用[1]、[2]、[3]、[4]。
将六铁氧体与还原氧化石墨烯（RGO）结合，为制备兼具导电性和磁性能的多功能复合材料提供了有前景的途径，同时增强了界面极化。这类混合材料的结构和功能性能高度依赖于合成路径，因为加工条件决定了颗粒大小、形态、相纯度和均匀性，这些因素共同决定了最终的磁性能和复合材料性能[5]、[6]、[7]、[8]。尽管具有潜力，但RGO/BF纳米复合材料的制备仍然具有挑战性，难以实现大规模生产[9]、[10]。化学共沉淀后进行传统煅烧被认为是最直接和高效的方法之一，具有低成本、高产率和可扩展性的特点[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
多项研究探讨了制备RGO-铁氧体纳米复合材料的各种方法，如水热合成、溶胶-凝胶法、化学共沉淀和传统煅烧[16]、[17]、[18]，重点在于改善磁性和电性能。此外，还研究了微波辅助技术以增强反应动力学和能源效率[19]、[20]、[21]、[22]。
传统的六铁氧体合成方法依赖于基于传导的热传递，被认为是最直接和高效的方法之一，通常需要高温（>700°C）和较长的停留时间（数小时）才能完成相结晶，这会促进晶粒生长和相形成，但同时会破坏石墨烯骨架结构并限制导电-磁性网络的发展。此外，传统煅烧方法存在显著的热能损失、较长的停留时间和较高的能耗，这些因素共同增加了运营成本并降低了整体工艺效率，从而影响了生产成本[23]。因此，在保持RGO的结构完整性和导电性的同时实现充分的六铁氧体结晶，仍然是可扩展生产导电-磁性混合复合材料的一个根本瓶颈。
为了克服传统工艺的局限性，出现了许多替代技术，如火花等离子烧结（SPS）和电阻烧结（ERS），它们通过直接与损耗性材料进行电磁耦合来解决问题[24]、[25]。这些技术具有高速处理能力（从10秒到20分钟不等）、经济效益以及改进的加热效率[19]、[21]、[22]。多项研究表明，使用频率为915 MHz或2.45 GHz的微波辐照可以加速烧结动力学并缩短处理时间[26]、[27]。尽管有这些优势，大多数报道的方法仍然依赖于长时间加热，且很少有策略利用导电碳框架作为内在的微波介质来产生局部加热并促进选择性结晶。因此，一种能够在低温下实现、无需煅烧且同时保持石墨烯导电性和促进六铁氧体相形成的方法在导电-磁性混合系统中尚未得到充分实现。在这方面，开发能够同时实现铁氧体结晶并保持石墨烯完整性的快速和局部处理策略仍然是一个重大挑战。
我们之前的研究发现，六铁氧体与RGO的结合可以制备出高性能的EMI屏蔽纳米复合材料[28]。对于工业生产而言，机械混合和粉末压实方法存在不均匀性、缺陷形成和过程控制受限的问题，这些问题限制了可重复性、质量和可扩展性[29]。因此，开发一种将铁氧体结晶与高温热处理分离的策略对于制备多功能导电-磁性纳米复合材料至关重要。
在这项工作中，我们引入了一种可扩展的无需煅烧的微波闪蒸合成（MFS）方法来克服这一限制。通过利用导电RGO的固有微波相互作用，在RGO前驱体界面产生局部加热，从而在脉冲辐照条件下将铁氧体相的形成时间缩短至约2分钟，从而显著减少了整体热处理时间。这种局部能量沉积使得相邻六铁氧体的快速结晶成为可能，而不会使整个材料暴露在高温下[30]。这种局部能量沉积使得导电路径的保留和诱导磁性能的发展成为可能。该方法有效地将相演变与整体加热分离，为在混合纳米复合材料中同时实现磁性能和导电性提供了途径。
系统研究了RGO作为微波介质对MFS行为和相演变的影响，以确定有效结晶所需的最小导电阈值。最佳组成在保持导电性的同时实现了磁性能，表明无需传统煅烧即可制备多功能纳米复合材料。此外，初步的技术经济分析支持了大规模实施的可行性，表明MFS是一种多功能纳米复合材料生产的通用且可扩展的技术。
章节摘录
材料
所有购买的材料均为ACS等级：石墨粉、硫酸（H?SO?，95 - 98%）、磷酸溶液（H?PO?，85%）、盐酸（HCl，37%）、L-抗坏血酸（≥99%）、三氯化铁（FeCl?）和碳酸钠（Na?CO?）粉末（≥99.5%）均来自Sigma-Aldrich。过氧化氢（H?O?，30%）和高锰酸钾（KMnO?）购自VWR Canada。二水合氯化钡（BaCl?·2H?O）、氢氧化钠（NaOH）、丙酮（>99.5%）和试剂级酒精（94 - 96%）也来自Sigma-Aldrich。
表征方法
样品的形态通过JEOL JEM-2100F透射电子显微镜（操作电压200 kV）进行观察，XRD图谱使用Bruker D8 Advance X射线衍射仪在Co-Kα光源下获得，X射线波长为0.17902 nm，2θ范围为10至70°，步长为0.02°，扫描速率为0.2°/s。干粉的拉曼光谱使用配备alpha300 access显微镜的WITec RAMAN光谱仪获得。
相演变和结晶行为
通过粉末X射线衍射研究了MFS后RGO/BF纳米复合材料的相演变。如图3所示，制备的RGO/BF纳米复合材料（图3(a)）主要呈现非晶态特征，仅有5个弱衍射峰，表明六铁氧体结构未完全形成，且复合材料缺乏磁性。
经过MFS处理后（图3(b)），出现了与六铁氧体特征峰相对应的明显反射。
结论
本研究展示了一种通过无需煅烧的微波闪蒸合成（MFS）方法快速有效地制备多功能RGO/BF纳米复合材料的过程。导电RGO的强微波相互作用产生了局部热点，使得无需传统的高温煅烧即可实现磁性六铁氧体相的结晶，同时保持了导电性的石墨烯框架。
RGO含量的变化表明，7.5%的添加量足以诱导六铁氧体的形成。
CRediT作者贡献声明
赫沙姆·坦塔维（Hesham Tantawy）：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。穆罕默德·S·沙拉维（Mohammad S. Sharawi）：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理。贾马尔·肖基（Jamal Chaouki）：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。拉米·萨德克（Ramy Sadek）：撰写 – 初稿撰写、可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。马哈茂德·Y·佐拉伊尼（Mahmoud Y. Zorainy）：撰写 – 审稿与编辑、方法设计、实验研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Jean-Philippe Masse和材料表征与显微镜中心（CM）^2提供的TEM设备，以及Christian Lacroix和Jael Giguere提供的VSM设备对这项研究的支持。
作者声明他们没有Springer定义的任何竞争性利益，或其他可能影响本文结果和/或讨论的利益。
