固体所等首次发现三维石墨烯基复合材料具优异微波吸收性能

近期，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米中心研究人员与安徽大学合作，在二维石墨烯基复合薄膜和三维石墨烯基复合物的制备及性能研究上取得了新进展：利用一种新兴的方法—喷墨印刷法成功制备了石墨烯和多金属氧酸盐的复合薄膜，并发现复合薄膜可用作生物传感器；利用水热的方法制备了三维结构的还原石墨烯/α-Fe2O3复合水凝胶，首次发现三维结构的石墨烯基复合材料有着优异的微波吸收性能。

石墨烯（单原子层石墨）自从2004年发现以来，引起了人们的广泛关注，并被用在场效应晶体管、超级电容器、锂离子电池、气体传感器和化学传感器等领域。二维石墨烯基复合薄膜、三维结构石墨烯和三维结构石墨烯基复合物是构筑石墨烯微观材料进行宏观应用的一个有效途径。喷墨印刷法是一种新兴的方法，它将纳米材料制成一种分散均匀的可溶性溶液，代替喷墨印刷的墨水，利用商用的喷墨打印机喷墨到各种基底上形成薄膜。氧化石墨烯水溶性非常好，完全可以作为喷墨印刷的墨水。研究人员采用商用的epsonR230打印机，以氧化石墨烯和多金属氧酸盐为墨水，交替喷墨到各种基底上（硅、石英玻璃、ITO玻璃、云母片等），形成氧化石墨烯/多金属氧酸盐(GO/PTA)n复合薄膜。之后，在紫外光的照射下，利用多金属氧酸盐的还原性将氧化石墨烯原位还原，从而获得了还原的氧化石墨烯/多金属氧酸盐(rGO/PTA)n复合薄膜，其制备过程如下图所示：

图1 、层层喷墨印刷法制备(rGO/PTA)n复合多层膜的过程示意图

研究人员进一步发现此复合薄膜对多巴胺有着非常良好的电催化氧化特性，可作为潜在的电化学生物传感器。相关研究成果发表在英国皇家化学会的期刊《物理化学化学物理》上（Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14, 12757–12763）。并且，文章还得到了当时编辑的高度评价，并以Graphene printer helps fight Parkinson’s disease为题在《化学世界》（Chemistry world）上进行报道。

除此之外，研究人员还发现石墨烯在还原过程中，由于非常强的π-π作用力，可以将其组装成三维结构的水凝胶。于是，研究人员以共沉淀法制备的Fe3O4和氧化的石墨烯溶液为前驱体，通过水热的方法成功的制备了三维结构的还原石墨烯/α-Fe2O3复合水凝胶。研究结果表明，复合水凝胶具有三维网络状的孔洞结构，尺寸为50-100纳米的α-Fe2O3纳米粒子均匀的分布在石墨烯片层上。鉴于三维结构的石墨烯基复合材料的微波吸收性能还未见报道，研究人员又详细研究了此复合水凝胶的微波吸收性能（如图2所示）。相对于纯的石墨烯水凝胶来说，复合水凝胶不但具有较低的反射损耗，还具有较宽的吸收频带。在频率为7.12千兆赫兹时，复合水凝胶达到最低反射损耗-33.5 dB；在厚度仅为3毫米时达到最宽的低于-10dB（90%的电磁波被吸收）的吸收带宽-6.4千兆赫兹（从10.8到17.2千兆赫兹)。其优异的吸收性能可能是由于阻抗匹配的原因。纯的石墨烯水凝胶具有较高的介电常数，太高的介电常数对阻抗匹配是有害的，它会导致很多电磁波被反射而没有被吸收。而α-Fe2O3是一种半导体材料，它与石墨烯复合时必将影响石墨烯的导电率，从而降低介电常数，达到阻抗匹配的效果。此外，三维孔洞结构对微波的吸收也起到重要的作用。相关研究成果已发表在国际核心期刊《材料化学A》上（J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 8547）。

图2、rGO/a-Fe2O3复合水凝胶的SEM图和不同厚度下的反射损耗图