铜（Cu）颗粒因其出色的电导率和热导率而广泛应用于电子器件、电磁干扰（EMI）屏蔽材料、导电墨水等领域。然而，Cu颗粒在空气中的易氧化性严重限制了其应用，因为氧化会导致电性能显著下降。传统的防止Cu颗粒氧化的方法包括表面包覆或化学修饰，这些方法虽然有效，但成本较高且工艺复杂。
石墨烯作为一种具有卓越电导率和化学稳定性的二维材料，为解决Cu颗粒的氧化问题提供了新思路。石墨烯包覆的Cu颗粒不仅能够提供良好的抗氧化性能，还能够保持高的电导率。但是，如何低成本、高效率地制备石墨烯包覆Cu颗粒仍是一个技术挑战。
文章简介
最近，电子科技大学青芳竹、李雪松教授课题组在《Carbon》期刊上发表了题为“Preparation of graphene-coated Cu particles with oxidation resistance by flash joule heating”的研究论文。本研究采用闪速焦耳加热（FJH）技术，以基础铜碳酸盐和葡萄糖为原料，制备了具有良好导电性和抗氧化性的石墨烯包覆铜颗粒（Cu/Gr@Gr）。与传统方法相比，FJH技术无需昂贵的后处理，且所得材料导电性较以往报道的石墨烯包覆铜颗粒有显著提高。经过FJH处理后，Cu/Gr@Gr的电导率从1.8 S/cm提升至47.1 S/cm，并在200°C空气中氧化30分钟后保持了89.8%的电导率。此外，该材料在EMI屏蔽应用中也显示出色，平均屏蔽效能达到12.3 dB，氧化后略有下降至11.7 dB，但效能保持了95.1%。该研究提供了一种成本效益高的石墨烯包覆金属颗粒的制备方法，同时也为相关材料的工业化生产和应用开辟了新途径。
图文导读
图1展示了通过FJH技术制备石墨烯包覆Cu颗粒（Cu/Gr@Gr）的三个步骤：(I) 将基础铜碳酸盐和葡萄糖混合并在空气中加热；(II) 在氩气氛围中进一步加热处理；(III) 应用FJH技术将非晶碳层转化为石墨烯层。
图2通过扫描电子显微镜（SEM）图像、透射电子显微镜（TEM）图像及能量色散X射线光谱（EDS）元素映射，展示了Cu/C@C和Cu/Gr@Gr的形貌和结构。可以看出，经过FJH处理后，Cu颗粒被石墨烯层成功包覆，形成了Cu/Gr@Gr结构。
图3利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱分析了Cu/C@C和Cu/Gr@Gr的晶体结构和化学状态。结果表明，FJH处理后的样品表现出典型的石墨烯特征峰，证明了石墨烯的成功制备。
图4展示了Cu/Gr@Gr的元素质量百分比、热重分析（TG）曲线、电导率、EMI屏蔽效能（SE）及其随频率的变化。结果表明，FJH处理显著提高了样品的电导率，并在经过氧化处理后仍保持较高的电导率和EMI SE。
总结展望
本研究成功实现了一种创新的方法，通过闪速焦耳加热（FJH）技术将铜颗粒涂覆的碳层转化为石墨烯，制备出既具有良好的导电性也具备优异抗氧化性能的Cu/Gr@Gr材料。该技术显著提高了产品的电导率，从初始的1.8 S/cm提升至FJH处理后的47.1 S/cm，并在经历氧化处理后保持了89.8%的电导率。此外，Cu/Gr@Gr在2–18 GHz范围内的平均电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）也从12.3 dB略微下降至11.7 dB，保持了95.1%的效能，显示出经过FJH处理的材料在抗氧化和电磁屏蔽方面的强大潜力。FJH技术的参数优化和后处理工艺的改进将为提升样品的导电性和纯度提供更多可能性。本工作不仅展示了一种工艺简单、成本低廉的制备方法，而且为其他金属颗粒的石墨烯包覆提供了重要的参考，推动了石墨烯包覆金属颗粒的可扩展和成本效益高的工业化生产。未来通过进一步的研究和优化，Cu/Gr@Gr有望在电子、电磁屏蔽和许多其他领域得到广泛的应用，这将为相关行业带来重要的技术革新和经济效益。
文章链接
Congli Zhou, Fangzhu Qing, Xiao Sun, Rongxuan Wu, Haodong Wang, Qiye Wen, Xuesong Li. Preparation of graphene-coated Cu particles with oxidation resistance by flash joule heating. Carbon. 2024.
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119060.
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