南京理工大学《ACS AMI》：等离子体驱动将2D石墨烯转化为3D软包以提高电磁吸收性能

成果简介 

石墨烯基材料具有较强的电损耗和介电损耗，同时厚度和重量较轻，是理想的电磁波吸收材料（EAM）。为了提高这些材料的电磁波吸收性能，通常会加入额外的成分。然而，这种方法不仅增加了合成过程的复杂性，而且使材料性能的控制变得复杂和不稳定。本文，南京理工大学程鹤 副教授、Chunpei Yu等研究人员在《 ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Plasma-Driven Conversion of 2D Graphene into 3D Pouch for Improved Electromagnetic Absorption Performance”的论文，研究提出成功地采用了一步法还原氧化石墨烯，并通过等离子体处理将二维石墨烯转化为三维口袋状结构。这种独特的三维结构是由等离子体处理在表面形成的不均匀缺陷诱发的。还原氧化石墨烯独特的袋状结构具有显著的电磁波吸收特性。具体来说，该材料在 7.14 GHz 频率下的最小反射损耗为 -38.65 dB，有效吸收带宽为 5.13 GHz，厚度仅为 1.9 mm。这些结果凸显了等离子体处理作为一种快速、高效、环保的方法，在连续生产先进的 EAM 方面所具有的潜力，为该行业的绿色制造实践铺平了道路。

图文导读

图1. (a) Schematic illustration of the modification of GO by RF-plasma, (b) simulated 2D axisymmetric geometry.

图2. (a) XRD spectra of GO, rGO-5, rGO-10, rGO-15, and rGO-20; (b) FT-IR spectra of GO, rGO-5, rGO-10, rGO-15, and rGO-20 samples; (c) spectra of Raman for GO, rGO-5, rGO-10, rGO-15, and rGO-20 samples; (d) TG and DTG of GO, rGO-5, rGO-10, rGO-15, and rGO-20.

图3. C 1s spectra of (a)GO, (b) rGO-5, (c) rGO-10, (d) rGO-15, and (e) rGO-20, in XPS (f) survey spectra of GO, rGO-5, rGO-10, rGO-15, and rGO-20 (g) OES from 400 to 830 nm in the Ar/H2 plasma.

图4. SEM images of (a–c) rGO; (d–f) rGO-5; (g–i) rGO-10; (j–l) rGO-15; and (m–o) rGO-20.

图5. Spatial distribution of electromagnetic fields and the temperature within the plasma. (a) Magnetic flux density, (b) electrostatic electric field, (c) gas temperature, (d) electron temperature, (e) electron density, (f) Ar density, (g) H+2* density, and (h) H density of reaction chamber.

图6. (a) Real parts of the complex permittivity; (b) imaginary parts of the complex permittivity; (c) dielectric loss tangents; (d,e) three-dimensional representations of the reflection loss (RL) values of rGO-10 and rGO-15; (f,g) two-dimensional projection images of the RL values of rGO-10 and rGO-15; (h) the |Zin/Z0| of each sample; (i) schematic diagram of the electromagnetic wave attenuation mechanism for different structures.

图7. (a) Polar curves of RCS value for rGO-10 and PEC; (b) RCS curves of rGO-10 and PEC.

小结 

总之，利用射频等离子体获得了还原度可控的 rGO。与化学合成方法相比，等离子体为制备石墨烯基 EAM 提供了一种快速、高效和环保的方法。此外，等离子体中的反应物，包括电子和高密度 H 原子，以及射频加热，促进了 GO 中袋状结构和缺陷的形成，这在增强波吸收性能方面发挥了重要作用。我们的研究结果表明，通过对 GO 进行等离子体处理，可在 15 分钟内实现 7.14 GHz 频率下 -38.65 dB 的最小反射损耗和 5.13 GHz 的宽有效吸收带宽，厚度为 1.9 mm。与合成石墨烯基微波吸收体的传统方法相比，我们的等离子体处理方法具有以下几个优势：它可以在几分钟内快速脱氧，无需使用刺激性化学物质，使处理过程更快、更环保。等离子体诱导的袋状形态可通过增加多重反射和散射来增强微波吸收，同时还能在较低的质量负荷下实现出色的阻抗匹配。此外，在等离子处理过程中引入的缺陷可作为极化中心改善介质损耗，与其他二维材料相比，缺陷类型和密度的控制能力更强，从而在更宽的频率范围内实现卓越的吸收性能。这项工作揭示了等离子处理技术在连续绿色生产EAM 方面的潜在应用。

文献：https://doi.org/10.1021/acsami.4c15142