利用基底直接在目標上生長石墨烯化學(xué)氣相沉積（CVD）是實現(xiàn)石墨烯應(yīng)用的重要途徑。 然而，基底通常為催化惰性且形狀特殊，因此大規(guī)模、高均勻性和高質(zhì)量的石墨烯生長具有挑戰(zhàn)性。 在此，通過在玻璃纖維織物（一種廣泛使用的工程材料）上進行石墨烯 CVD 生長，開發(fā)出了石墨烯蒙烯玻璃纖維織物（GGFF）。 首先提出了一種流體動力學(xué)整流策略，以協(xié)同調(diào)節(jié)碳物種在三維空間中的分布及其與分層結(jié)構(gòu)基底的碰撞，從而在大規(guī)模三維編織物中實現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯在纖維上的高度均勻沉積。 這種策略具有通用性，適用于使用各種碳前驅(qū)體的 CVD 系統(tǒng)。 GGFF 具有高導(dǎo)電性和光熱轉(zhuǎn)換能力，在此基礎(chǔ)上首次開發(fā)出一種天然能源收集器。 它可以通過太陽能加熱和液滴發(fā)電收集太陽能和雨滴能，為減輕能源負擔(dān)帶來了巨大潛力。
Fig 1. 使用和不使用流體動力學(xué)整流策略制造 GGFF。 (a、b）傳統(tǒng)（a）和調(diào)制（b）CVD 系統(tǒng)中由 CH
4 和 H
2 組成的氣體的流體動力學(xué)過程示意圖。 (c,d) 在傳統(tǒng)（c）和調(diào)制（d）系統(tǒng)中獲得的 GGFF（40 cm × 5 cm）照片（上）和 GGFF 橫截面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（下）。 (e) GFF 上石墨烯的拉曼光譜。 數(shù)據(jù)是在 GGFF 上采集的，在（c）、（d）中橫向距離為 40 cm的 GGFF 上，沿中心軸線標注了 A-E 共 10 cm的均勻空間。 光譜中的峰值強度歸一化為 G 峰值強度。 (f）在（c）、（d）（下）中標記位置采集的拉曼光譜的 I
2D/I
G 統(tǒng)計。 (g) GGFF 的照片（g）和掃描電鏡圖像（插圖）。 (h) GGFF 外部（向上）和內(nèi)部（向下）纖維的掃描電鏡圖像。
Fig 2. 流體動力學(xué)模擬和石墨烯在 GFF 上沿著 CVD 系統(tǒng)中的氣流進行 CVD 生長。 (a,b) 傳統(tǒng)（a）和調(diào)制（b）系統(tǒng)中佩克雷特數(shù)（上）、CH3? 摩爾濃度（中）和石墨烯沉積速率（下）的分布圖。 (d,e）在 GGFF（尺寸：40（長）×5（寬）×0.015（厚）cm）上氣流的上、中、下流處獲得的原子力顯微鏡圖像（d），以及相應(yīng)的石墨烯覆蓋率統(tǒng)計（e）。 生長條件： 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/60 sccm，1 h。 (f) 在調(diào)制系統(tǒng)中，不同生長時間下 GFF 上石墨烯層沿氣流的厚度統(tǒng)計。 起點（0 cm）設(shè)置在最靠近氣體入口的 GGFF 上，在 GGFF 上 5、20、35 cm的位置采集石墨烯層厚度。 生長條件 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/60 sccm，2-10 h。 (g) 調(diào)制 CVD 系統(tǒng)在 GFF 上沉積石墨烯的示意圖。 (h) 與生長時間有關(guān)的 GGFF 薄膜電阻變異系數(shù) (CV)。
Fig 3. 流體動力學(xué)模擬和石墨烯在垂直于 GGFF 方向的 GFF 上的 CVD 生長。 (a) 區(qū)分 GGFF 周圍內(nèi)部空間、外部空間和體積空間的示意圖。 (b-d) 傳統(tǒng)（向上）和調(diào)制（向下）系統(tǒng)中 Pe 數(shù)（b）、CH
3- 摩爾濃度（c）和石墨烯沉積率（d）的分布圖。 (c)、(d)中的白色虛線表示 GGFF 的位置。 Ex 和 In 分別代表 GGFF 的外部和內(nèi)部空間。 (e) GGFF 周圍內(nèi)部、外部和主體空間的 Kn 計算值。 (f,g）在傳統(tǒng)（f）和調(diào)制（g）系統(tǒng)中獲得的 GGFF 外部（向上）和內(nèi)部（向下）纖維上石墨烯的 SEM 圖像。 生長條件： 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/50 sccm，1 h。 (h) 不同生長時間下 GGFF 內(nèi)外纖維上石墨烯薄膜的厚度統(tǒng)計。 生長條件： 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/50 sccm，2-10 h。 (i) GGFF 內(nèi)、外層纖維上石墨烯拉曼表征的 I
D/I
G 統(tǒng)計。 直方圖用高斯曲線擬合，以提取分布最大值。 生長條件 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/50 sccm，2 h。
Fig 4. 流體動力學(xué)整流對石墨烯在 GFF 上生長質(zhì)量的影響。 (a、b）在傳統(tǒng)（a）和調(diào)制（b）系統(tǒng)中獲得的 GGFF 的原子力顯微鏡圖像。 插圖為石墨烯的相應(yīng)拉曼光譜。 (c) 在調(diào)制系統(tǒng)中獲得的石墨烯 SAED 圖樣，顯示了石墨烯的 6 倍對稱單晶性質(zhì)。 (d) 在傳統(tǒng)和調(diào)制系統(tǒng)中不同生長時間獲得的單層和多層核密度。 生長條件： 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/100 sccm，1-8 h。 (e) MD 模擬統(tǒng)計了氣相中和基底上反應(yīng)消耗的碳原子數(shù)量。 (f) 反應(yīng)進行時基底上碳原子的均方距離的 MD 模擬統(tǒng)計。 (g) 傳統(tǒng)（左）和調(diào)制（右）系統(tǒng)中石墨烯 CVD 生長示意圖。
Fig 5. 流體動力學(xué)整流策略的通用性和可擴展性。 (a) 在傳統(tǒng)和調(diào)制系統(tǒng)中使用 CH
4 和 C
2H
4 前驅(qū)體獲得的 GGFF 薄層電阻圖。 (b) 在傳統(tǒng)和調(diào)制系統(tǒng)中使用 CH
4 和 C
2H
4 生長的 GGFF 外層纖維和內(nèi)層纖維之間的導(dǎo)電率差異。 生長條件： 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/60 sccm，C
2H
4/H
2 = 10/200 sccm，2-10 h。 (c) 從調(diào)制系統(tǒng)中生產(chǎn)的 10 個批次的 10 塊 GGFF（40 × 5 cm）的照片。 (d) 從（c）中樣品收集的拉曼光譜。 (e）（d）中拉曼表征中 I
D/I
G 和 I
2D/I
G 的統(tǒng)計結(jié)果。 f）（c）中 GGFF 薄片電阻的統(tǒng)計分析。 生長條件： 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/60 sccm，2-10 h。
Fig 6. 基于 GGFF 的自然能源收割機，具有太陽能加熱和液滴發(fā)電（DEG）功能。 (a) 基于 GGFF 的自然能源收集器在晴天（i）和雨天（ii）工作的示意圖，以及收集器的照片（iii）。 (b) 用于建筑供暖以節(jié)約能源的能量收集器概念設(shè)計。 (c) 基于 GGFF 的自然能源收集器的太陽吸收光譜。 GGFF 的片電阻為 ∼48 Ω sq
-1。 插圖：能量收集器在太陽能照射（1 kW m
-2）下的紅外圖像，能量吸收為 940 W m
-2。 (d) 進行 DEG 功能的自然能量收集器的輸出電壓。 當去離子水滴從 20 cm的高度落下時，GGFF 的片電阻分別為 ∼500、∼200 和 ∼48 Ω sq
-1，其相應(yīng)的輸出功率密度分別為 ∼180 W m
-2、∼320 W m
-2 和 ∼490 W m
-2。 插圖：收集收集器產(chǎn)生的電能的整流電路。 (e) 在北海沿岸九個具有代表性的城市，采用基于 GGFF 的自然能源收集器作為屋頂涂層的建筑物的暖通空調(diào)節(jié)能情況。 節(jié)能值與圓圈面積成比例關(guān)系。 (f) 預(yù)測模型建筑的年均節(jié)電和天然氣量。 模型建筑的屋頂面積為 1661 平方米。
相關(guān)研究成果由北京大學(xué)Zhongfan Liu和Yue Qi課題組于2024年在線發(fā)表在期刊《JACS》上，F(xiàn)luid-Dynamics-Rectified Chemical Vapor Deposition (CVD) Preparing Graphene-Skinned Glass Fiber Fabric and Its Application in Natural Energy Harvest，原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07609
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
