近日，贵州民族大学化学工程学院，低维材料与大数据重点实验室谢雅典副教授研究团队，与北京大学刘忠范院士研究团队紧密合作，在柔性石墨烯石英纤维制备与应用方面取得了重要进展,相关成果以“Ultra-broadband strong electromagnetic interference shielding with ferromagnetic?graphene?quartz fabric”（铁磁石墨烯石英织物超宽带强电磁干扰屏蔽）为题，于2022年05月23日在线发表在国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials， 影响因子：30.849）上。北京大学为该工作的第一单位，贵州民族大学为第二单位。该研究为谢雅典2019年发表于《美国化学会?纳米技术》（ACS Nano，影响因子：15.881）的有关石墨烯复合材料大规模制备方法与应用研究工作的深入与延续（ACS Nano 2019, 13, 10272?10278）。
随着电子设备和无线通信网络技术的蓬勃发展，抗电磁干扰成为人们广泛关注的领域。以石墨烯材料为代表的新型电磁屏蔽材料在电磁波的反射和吸收领域表现出了良好的应用前景。然而受石墨烯本征性质的限制，材料难以兼顾宽频带和高强度的电磁屏蔽效能。此外，电磁屏蔽特种材料的大规模批量生产与工业级应用仍存在较大差距。
本工作通过精确控制石墨烯的氮掺杂类型，实现了具有高电导率（3906 S·cm–1）和高磁响应（室温下饱和磁化强度达0.14 emu·g–1）的铁磁石墨烯层的制备（图1a）。1 mm厚度的FGQF在超宽频带1-18 GHz下表现出107 dB的超强屏蔽效能，同时实现了高电磁干扰屏蔽效率和宽抗电磁干扰频带（图1c）。利用团队自主研制的石墨烯卷对卷连续CVD生长系统（图1b），实现了FGQF的规模化制备，单批次制备尺寸高达10×0.5 m2（图1d）。
图1：FGQF的制备。（a）石墨烯石英纤维织物结构示意图。（b）自主研制的石墨烯卷对卷连续CVD生长系统。（c）FGQF的电磁屏蔽效能。（d）制备得尺寸为10 m × 0.5 m的大面积FGQF。
基于FGQF的高导电性、铁磁性和特殊的编织结构，当电磁波到达材料表面时，其与石墨烯表面自由载流子发生相互作用，部分电磁波被反射。通过优化空气-材料界面处的阻抗匹配，剩余电磁波将进入FGQF内部，并在其编织结构中产生多重内反射。因此，具有高电导率和高磁响应的铁磁石墨烯层可以实现对电磁波能量的有效吸收和衰减（图2a）。FGQF纤维布中的单根铁磁石墨烯石英纤维（直径约7 μm），电磁波在与相邻纤维阵列发生多次内部反射，而多层铁磁石墨烯可对多次反射的电磁波进行高效吸收，进一步衰减电磁波能量，从而获得高电磁屏蔽效能（图2b）。
图2 FGQF的电磁屏蔽机理。（a）FGQF织物的电磁屏蔽过程。（b）FGQF单丝的电磁屏蔽过程。
该工作由北京大学刘忠范院士、亓月助理研究员、河南大学陈珂教授、美国莱特州立大学终身教授Zhiqiang Wu等人为该论文共同通讯作者，贵州民族大学副教授、北京大学博士后谢雅典为第一作者。该研究工作得到国家重点基础研究项目，国家自然科学基金项目，贵州省科技支撑项目，贵州省基础科学研究基金，河南大学基础研究专项和国家万人计划青年拔尖人才项目，贵州省低维材料与环境生态治理特色重点实验室，贵州民族大学低维材料与大数据重点实验室的支持，也得到了北京大学刘开辉教授和新加坡国立大学陈召龙博士的支持与帮助。（通讯员：贵州民族大学党委宣传部）