北化工《Small》：轻质超弹性石墨烯气凝胶，用于电磁干扰屏蔽

1成果简介

人们需要具有高导电性和超弹性的超轻石墨烯气凝胶，但却很难生产。本文，北京化工大学 张好斌 教授团队在《Small》期刊发表名为“Emulsion-Based Multiscale Structural Design Realizes Lightweight and Superelastic Graphene Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding”的论文，研究展示了一种基于乳液的多功能方法，用于优化轻质、弹性和导电石墨烯气凝胶的多尺度结构。通过使用氧化石墨烯（GO）、聚（胺基酸）（PAA）和辛胺（ODA）构建皮克林乳液，实现了微米级的密孔结构，而在热退火过程中，GO 和 PAA 之间的热收缩不匹配会产生大量纳米皱纹。GO 纳米片由 PAA 衍生的碳桥接，增强了分子层面的结构完整性。这些多尺度结构特征促进了快速电子传输和高效负载传递，使石墨烯气凝胶具有令人感兴趣的机械和电磁干扰（EMI）屏蔽特性。

乳液型石墨烯气凝胶的密度超低（约3.0 mg cm-3），具有出色的导电性、空气口径的热绝缘性、75.0dB的高 EMI 屏蔽效果、90% 的应变可压缩性和超强的抗疲劳性。有趣的是，得益于乳液的凝胶状流变行为，可通过三维打印获得具有可编程几何形状的超轻石墨烯支架。这项工作为制备具有优异电磁干扰屏蔽性能的超轻、超弹性石墨烯气凝胶提供了一种通用方法，在各个领域展现出广阔的应用前景。

2图文导读

图1、a) 制造石墨烯支架和 EGA 的示意图。b) 乳化前后的 GO/PAA 分散体、c) 打印的 12 层支架（上）和 1.2、1.6 和 1.8 毫米不同丝间距的网格（下）、d) 打印的具有清晰图案的支架、e) 放在狗尾巴草上的轻质 EGA、f) 被压缩的 EGA 在有/无质量的情况下恢复到原来的形状的数码照片。

图2、a1-a4) 不同 PAA 含量的 EGA 的横截面孔隙形态，b1-b5) 拉曼图谱，以及 c) XRD 图样。

图3、a) EGA-1 和 b) DGA 在不同压缩应变下的应力-应变曲线。插图为经历压缩-释放循环的 EGA-1 的数码照片。c) 密孔结构 EGA 的弹性机理示意图。插图为经历压缩-释放循环的 GA 的数码照片。e) 具有纳米褶皱的 EGA 的弹性机理示意图。f) PAA 含量对 EGA 密度和塑性变形的影响。g) EGA-1 的应力-应变曲线，以及 h) 在 50%应变下，1000 次压缩-释放循环的应力和应变保留。

图4、a) EGA-1 的密度和电导率、b) EMI SE 和 c) EMI SER、SEA 和 SET 分别与退火温度的关系图。d) EGA 的电导率和 e) EMI SE 随 PAA 含量变化的曲线图。f) EGA-1 的 SSE/t 随密度变化的曲线图，与之前报告中 EMI 屏蔽材料的对比图。g) EGA-1 的 EMI 屏蔽机制示意图。

图5、a) 手持 EGA-4 和 b) 不同温度下 EGA、DGA、GA 和 PS 泡沫的红外相机图像。c) 加热平台上 EGA、DGA、GA 和 PS 泡沫的温度差；d) 从 40°C 加热到 130°C 的过程；e) EGA 和 PS 泡沫在 25°C 温度下的热导率。e) EGA 和 PS 泡沫在 25 °C 温度下的热导率；f) EGA 和 PS 泡沫制成的小室在热水和 g) 冰袋中的热稳定性。

图6、a) 印刷石墨烯支架的示意图，以及从不同方向拍摄的印刷 EGA-1 的扫描电镜图像：b,c) 俯视图，d) 侧视图，e,f) 截面图。g) EGA-4 油墨和 EGA-1 油墨的剪切粘度和 h) 模量。l) 不同拓扑结构石墨烯支架的 EMI SE 比较。

3小结

在这项工作中，我们报告了一种基于乳液的通用多用途方法，用于调整具有超低密度（约3.0 mg cm-3）、抗压韧性、出色的电磁干扰屏蔽能力和隔热性能的 EGA 的多尺度结构。皮克林乳液使 EGA 具有各向同性的密孔结构。PI 衍生碳的加入会导致孔壁出现纳米皱纹并加强界面。因此，得益于高效的电子传输和外部负载传递，EGAs 可以承受高达 90% 的可逆压缩应变，并表现出良好的抗疲劳性。同时，它们的 EMI SE 值高达 75.0 dB，SSE/t值高达55 556 dB cm2 g-1。得益于轻质特点和密孔结构，EGA 具有出色的隔热性能，导热系数为 25.7 mW m-1 K-1。此外，由于乳液具有合适的流变特性，因此可以三维打印出具有精确和复杂形状的石墨烯支架。具有良好结构完整性的分层坚固架构还具有出色的弹性和电磁干扰屏蔽性能。这项工作为三维打印石墨烯架构的结构设计和潜在应用提供了有益的启发，可用于生产可定制的多功能柔性 EMI 屏蔽材料

文献：
https://doi.org/10.1002/smll.202405950

来源：材料分析与应用