中科院最新研究：石墨烯气凝胶在电磁干扰屏蔽中有大用处

成果简介

三维（3D）石墨烯气凝胶（GA）因其轻质多孔的特性而在各个领域受到广泛关注。然而，开发一种可扩展且环保的方法来合成自支撑三维石墨烯气凝胶仍是一项挑战。本文，中国科学院化学研究所Ying Xu等研究人员在《Materials Today Physics》期刊发表名为“Alternating current assisted preparation of three-dimensional graphene aerogels and the application in electromagnetic interference shielding”的论文，研究介绍了一种利用交流电（AC）策略制备三维GA的创新方法，该方法充分利用了交流电不断改变电流方向的特性，将氧化石墨烯（GO）颗粒吸引到电极表面，然后将其还原成还原型氧化石墨烯。最终，在反复循环下，GA 在电极表面自组装。

以最佳参数施加交流信号，可产生氧含量为 10.76% 的多孔 GA，比原始 GO 的氧含量低 66.67%。当将 GA 应用于电磁干扰（EMI）屏蔽时，由于丰富的孔壁对电磁波（EMWs）的反复反射和吸收，它在 X 波段的最大特定屏蔽效果可达 9100 dB cm2 g-1。此外，多层 GA 在 X 波段的屏蔽效果可显著提高到 68.60 dB。值得强调的是，这种交流电辅助合成方法已被证明适用于各种金属电极，如具有成本效益的铁和铜。重要的是，这种方法避免了高温处理和使用对环境有害的化学品。可以预见，这种环境友好型的低成本方法将极大地促进以具有成本效益的方式生产具有多种用途的三维GA。

图文导读

图1：（a）GO 在阳极表面的吸附和沉积；（b）电极极性反转后，GO 在原阳极上还原形成 rGO。(c) 三维 GA（MGA2）的代表性 SEM 图像。

图2：（a）GA0.25 的横截面 SEM 图像；（b 和 c）GA2 的横截面 SEM 图像；（d）拉曼光谱；（e）TGA 曲线；（f 和 g）GO 和 GA2 的 XPS 光谱。

图3. 分别为 (a) MGA2 ang (b) AGA2 的截面 SEM 图像。(c) MGA2 和 AGA2 的拉曼光谱。(d) MGA2 和 (e) AGA2 的 XPS C1s 光谱。(f) MGAx 和 AGAx 的 ID/IG 值变化。分别为 (g) MGA10 和 (h) AGA10 的 XPS C1s 光谱。(i) MGAx 和 AGAx 的氧含量。

图4. (a) MGAx 和 AGAx 的导电率与生长时间的函数关系。(b) MGAx 的 EMI SE 烛台图。(c) MGA10 的 EMI SE 随频率变化。(d) 三维结构材料屏蔽电磁波的机理示意图。(e) nMGAx 的 EMI SE 烛台图。(f) 4MGA10 的 EMI SE 随频率变化。

小结

本研究提出了一种环境友好型交流电辅助制备用于 EMI 屏蔽的自支撑三维 GA 的方法。该方法不需要复杂的设备、高温处理和有毒有害试剂，在交流电方向转换过程中即可实现GO的组装和还原。通过对对称交流电施加偏置，在 ME 上制备了具有大量孔壁和稳定结构的 MGAx。最佳参数下制备的 MGA10 比表面积高达 105.5 m2 g-1，孔隙率高达 88.43%。MGAx 的还原度相对较高，MGA10 的 ID/IG 值高达 1.33，氧含量最小值为 10.76%。MGA10 的高度还原及其相互连接的三维网络使其具有197.5S m-1 的优异导电性。此外，单层 MGA10的SEtot为20.77dB，达到了商用 EMI 屏蔽材料的标准。此外，MGA10的SSE高达9100dB cm2 g-1。此外，4MGA10 在 X 波段的 SEtot 为 66.06-68.60 dB。这些结果表明，所提出的交流电辅助方法在制备适用于电磁干扰屏蔽的三维石墨烯材料领域具有巨大潜力。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2023.101308