石墨烯是一種由sp²雜化碳原子構(gòu)成的二維材料，因其卓越的物理和化學性質(zhì)而備受關注。憑借優(yōu)異的熱導率，石墨烯被視為理想的熱管理材料；其較大的比表面積與優(yōu)異的化學穩(wěn)定性也使其在能源存儲系統(tǒng)中大放異彩。尤其是，石墨烯的低密度、出色的耐腐蝕性與高電導率，使其成為新一代電磁干擾（EMI）屏蔽材料的極具吸引力的候選者。

EMI 屏蔽機制通常包括吸收、反射、透射與多重反射等過程，屏蔽效率（SE）主要取決于材料本征屬性。在國防和軍事等領域，尤其重視8.2–12.4 GHz 頻段內(nèi)以吸收為主導的 EMI 屏蔽性能。高質(zhì)量石墨烯的制備對實現(xiàn)優(yōu)異的 EMI SE 至關重要。近年來，微波輔助法制備石墨烯受到廣泛關注。與傳統(tǒng)的熱還原或化學還原方法相比，微波還原不僅快速高效，且更加環(huán)保。該方法能在1–2秒內(nèi)將氧化石墨烯（GO）還原為結(jié)構(gòu)有序、完整的m-rGO（微波還原石墨烯），且無需使用還原劑，其電導率顯著提升。

其還原機制源于微波與材料的相互作用導致的快速升溫、高溫下GO中含氧官能團的脫除，以及反應過程中自由碳自由基對結(jié)構(gòu)缺陷的修復。然而，反應腔體中微波場分布的不均勻性使得GO的還原過程難以控制，進而導致還原不完全或破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)完整性，從根本上限制了微波法在石墨烯規(guī)模化制備中的應用。

為解決由微波場不均勻性引起的加熱不均問題，研究人員進行了大量嘗試。其中最直接的方式是對樣品進行旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)微波能量的均勻吸收，這種方法在食品加熱中較為常見。此外，采用多微波源、可調(diào)頻微波系統(tǒng)以及優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)設計等方式也被提出以改善場分布的均勻性。然而，這些策略主要從微波場本身出發(fā)，忽視了材料與微波能量之間的本質(zhì)耦合關系，難以從根本上解決加熱不均的問題。

北京大學、北京石墨烯研究院張錦院士團隊提出了一種新策略，通過調(diào)整GO在波導腔體中的空間分布，結(jié)合異形樣品容器的結(jié)構(gòu)設計，提升m-rGO質(zhì)量的一致性，并在放大制備過程中通過系統(tǒng)性地優(yōu)化工藝參數(shù)進一步改善其品質(zhì)。與已有微波還原制備的石墨烯相比，本文所得m-rGO展現(xiàn)出優(yōu)異性能，電導率高達13486 S·m?¹，拉曼D峰強度低至ID/IG = 0.12，單批次產(chǎn)量可達70克。同時，制備出一款柔性m-rGO/聚氨酯（PU）復合膜（A4尺寸，厚度僅90 μm），其在8.2–12.4 GHz頻段內(nèi)的電磁屏蔽效率高達40 dB。本文提出的結(jié)構(gòu)設計理念為高質(zhì)量m-rGO的大規(guī)模工業(yè)化微波制備提供了創(chuàng)新且切實可行的方法。

相關研究成果以“Scalable Preparation of High-Quality Microwave-Assisted Reduced Graphene Oxide via Spatial Configuration Engineering”為題，發(fā)表于《Small》。