利用基底直接在目標上生長石墨烯化學氣相沉積（CVD）是實現石墨烯應用的重要途徑。 然而，基底通常為催化惰性且形狀特殊，因此大規模、高均勻性和高質量的石墨烯生長具有挑戰性。 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整流策略，以協同調節碳物種在三維空間中的分布及其與分層結構基底的碰撞，從而在大規模三維編織物中實現高質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體的 CVD 系統。 GGFF 具有高導電性和光熱轉換能力，在此基礎上首次開發出一種天然能源收集器。 它可以通過太陽能加熱和液滴發電收集太陽能和雨滴能，為減輕能源負擔帶來了巨大潛力。
Fig 1. 使用和不使用流體動力學整流策略制造 GGFF。 (a、b）傳統（a）和調制（b）CVD 系統中由 CH
4 和 H
2 組成的氣體的流體動力學過程示意圖。 (c,d) 在傳統（c）和調制（d）系統中獲得的 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。 數據是在 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 統計。 (g) GGFF 的照片（g）和掃描電鏡圖像（插圖）。 (h) GGFF 外部（向上）和內部（向下）纖維的掃描電鏡圖像。
Fig 2. 流體動力學模擬和石墨烯在 GFF 上沿著 CVD 系統中的氣流進行 CVD 生長。 (a,b) 傳統（a）和調制（b）系統中佩克雷特數（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），以及相應的石墨烯覆蓋率統計（e）。 生長條件： 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/60 sccm，1 h。 (f) 在調制系統中，不同生長時間下 GFF 上石墨烯層沿氣流的厚度統計。 起點（0 cm）設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) 調制 CVD 系統在 GFF 上沉積石墨烯的示意圖。 (h) 與生長時間有關的 GGFF 薄膜電阻變異系數 (CV)。
Fig 3. 流體動力學模擬和石墨烯在垂直于 GGFF 方向的 GFF 上的 CVD 生長。 (a) 區分 GGFF 周圍內部空間、外部空間和體積空間的示意圖。 (b-d) 傳統（向上）和調制（向下）系統中 Pe 數（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 的外部和內部空間。 (e) GGFF 周圍內部、外部和主體空間的 Kn 計算值。 (f,g）在傳統（f）和調制（g）系統中獲得的 GGFF 外部（向上）和內部（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 內外纖維上石墨烯薄膜的厚度統計。 生長條件： 1373 K，常壓，CH
4/H
2 = 20/50 sccm，2-10 h。 (i) GGFF 內、外層纖維上石墨烯拉曼表征的 I
D/I
G 統計。 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. 流體動力學整流對石墨烯在 GFF 上生長質量的影響。 (a、b）在傳統（a）和調制（b）系統中獲得的 GGFF 的原子力顯微鏡圖像。 插圖為石墨烯的相應拉曼光譜。 (c) 在調制系統中獲得的石墨烯 SAED 圖樣，顯示了石墨烯的 6 倍對稱單晶性質。 (d) 在傳統和調制系統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 模擬統計了氣相中和基底上反應消耗的碳原子數量。 (f) 反應進行時基底上碳原子的均方距離的 MD 模擬統計。 (g) 傳統（左）和調制（右）系統中石墨烯 CVD 生長示意圖。
Fig 5. 流體動力學整流策略的通用性和可擴展性。 (a) 在傳統和調制系統中使用 CH
4 和 C
2H
4 前驅體獲得的 GGFF 薄層電阻圖。 (b) 在傳統和調制系統中使用 CH
4 和 C
2H
4 生長的 GGFF 外層纖維和內層纖維之間的導電率差異。 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) 從調制系統中生產的 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 的統計結果。 f）（c）中 GGFF 薄片電阻的統計分析。 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) 用于建筑供暖以節約能源的能量收集器概念設計。 (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節能情況。 節能值與圓圈面積成比例關系。 (f) 預測模型建筑的年均節電和天然氣量。 模型建筑的屋頂面積為 1661 平方米。
相關研究成果由北京大學Zhongfan Liu和Yue Qi課題組于2024年在線發表在期刊《JACS》上，Fluid-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
轉自《石墨烯研究》公眾號
