Porous Graphene Produced by Carbothermal Shock for Green Electromagnetic Interference Shielding in Both Microwave and Terahertz Bands

基于碳热冲击法制备的多孔石墨烯用于微波和太赫兹波段的绿色电磁干扰屏蔽

第一作者: Congli Zhou, Kun Zhang, Xiao Sun, Xingchuan Zhao, Kaiwen Zheng, Jiawei Mi

通讯作者: Fangzhu Qing*, Qiye Wen*, Xuesong Li*

所属大学: 电子科技大学 (University of Electronic Science and Technology of China)

DOI: 10.1002/smtd.202201493 | 期刊: Small Methods | 年份: 2022

PDF原文

论文亮点

• 使用低价值蔗糖通过碳热冲击法制备缺陷可调的多孔石墨烯，作为有效的屏蔽填料，过程简单、环保。
• 在微波波段（2.5-18 GHz）实现32.5 dB屏蔽效率和宽带宽，在太赫兹波段（0.2-1.2 THz）实现高吸收（平均反射损失15.9 dB）和有效屏蔽，支持绿色EMI屏蔽概念。

研究背景

• 现代电子设备普及，但伴随的电磁干扰（EMI）削弱设备性能、可靠性，并影响人类健康，需要有效的EMI屏蔽材料。
• 碳材料（如石墨烯）和MXene作为屏蔽材料有优势（化学稳定性、轻量），但石墨烯制备通常复杂、成本高、环境不友好，且现有材料多以反射为主，而非吸收主导的绿色屏蔽。
• 需要开发低填料负载、高吸收效率的绿色屏蔽材料，以应对多电磁波段（如微波和太赫兹）的集成应用需求，如6G通信。

研究方法

研究采用碳热冲击法从低价值蔗糖制备多孔石墨烯，具体步骤包括：

• 材料准备：使用蔗糖和硝酸锌六水合物（质量比1:2）混合研磨，在180°C加热10分钟形成多孔碳前驱体。
• 多孔碳（PC）制备：将混合物在750°C下退火1小时（Ar气氛，流速200 sccm），然后用0.25 M HCl处理去除ZnO杂质，过滤、洗涤并干燥得到PC。
• 碳热冲击合成：将PC放入石英管中，连接电路进行放电处理（电压150-220 V，时间300-1000 ms），通过快速加热（峰值温度>2000 K）将PC转化为多孔石墨烯，无需后续纯化。
• 表征与测试：使用SEM、TEM、XRD、Raman、XPS、BET等方法分析材料结构；通过矢量网络分析仪测量微波波段屏蔽性能，太赫兹时域光谱系统测量THz波段性能。
• 复合材料制备：将所得石墨烯与石蜡混合（填料负载5-20 wt%），评估EMI屏蔽效率（SE）、反射损失（RL）和吸收系数。

主要结论

• 成功从蔗糖通过碳热冲击法制备缺陷可调的多孔石墨烯，过程低成本、简单、环保，无需复杂后处理。
• 在微波波段（2.5-18 GHz），20 wt%填料负载下实现32.5 dB屏蔽效率和宽带宽；在太赫兹波段（0.2-1.2 THz），5 wt%负载下实现平均SE 40.7 dB和RL 15.9 dB，展示高吸收主导的绿色屏蔽。
• 通过调控放电条件（电压和时间）可调节石墨烯的缺陷程度和电导率，增强极化损失和导电损失，为多电磁波段（如6G集成传感与通信）屏蔽研究提供新途径。

Figure 1: 碳热合成多孔石墨烯的示意图

内容描述：该图展示了碳热冲击法制备多孔石墨烯的步骤示意图，包括蔗糖和硝酸锌混合、加热形成多孔碳前驱体，以及通过放电处理快速转化为石墨烯的过程。

分析结果：该方法实现了从低价值原料到高性能石墨烯的快速转化（毫秒级），突出了过程的简单性和环保性，为大规模制备提供了可能。

Figure 2: SEM、TEM和HRTEM图像对比PC和Gr-220/300

内容描述：图像显示多孔碳（PC）和典型碳热合成石墨烯（Gr-220/300）的SEM、TEM和HRTEM对比，插图为SAED图案。

分析结果：Gr-220/300保留了PC的多孔结构，但HRTEM和SAED显示从非晶态PC转变为晶态石墨烯（几层石墨烯组成孔骨架），证实碳热冲击成功诱导结晶化。

Figure 3: XRD、Raman、XPS、BET和电导率分析

内容描述：包括XRD图谱、Raman光谱、XPS survey和C1s高分辨率谱、BET氮吸附-脱附等温线、孔径分布以及电导率与比表面积（SSA）对比。

分析结果：XRD显示Gr-220/300在26.3°出现石墨烯(002)峰；Raman表明增加电压降低缺陷（ID/IG比减小），延长放电时间增加缺陷；XPS显示碳热后氧和氮含量降低，sp2碳增加；BET显示SSA从1184 m²/g（PC）降至503 m²/g（Gr-220/300）， due to 纳米孔破裂；电导率-SSA图显示Gr-220/300兼具高SSA和高电导率，优于其他碳材料，利于低填料负载下形成导电网络。

Figure 4: EMI屏蔽性能、Cole-cole图和屏蔽机制

内容描述：展示石墨烯的EMI屏蔽效率（SET）、T系数、A系数、Cole-cole图、损失类型百分比、电导率以及屏蔽机制示意图。

分析结果：Gr-220/300在微波波段显示高SET（ up to 33.03 dB）和宽带宽（2.5-18 GHz）；A系数随缺陷增加而升高，表明吸收增强；Cole-cole图显示导电损失和极化损失贡献；屏蔽机制包括表面反射、缺陷诱导极化损失和多孔结构促进电荷迁移，共同贡献高SEA和SER。

Figure 5: THz波段屏蔽性能

内容描述：包括THz时域光谱测量示意图、传输和反射时域谱、透射率、反射率、吸收率、SET和RL频率依赖以及平均值。

分析结果：在THz波段（0.2-1.2 THz），所有样品显示高屏蔽（平均SET >30 dB），低电导率样品（如Gr-180/300）实现高吸收（>90%）和低反射，5 wt%负载下最优平均SET 40.7 dB和RL 15.9 dB，证实吸收主导的绿色屏蔽；增加填料负载可进一步增强性能。