Nano Res.[碳]│中国石油大学（华东）曹宁团队:无外加碳源石墨烯在镀铜废钢上的CVD生长

背景介绍

使用气态烃源的化学气相沉积(CVD)在大规模石墨烯生长方面显示出巨大的前景，但高生长温度(通常为1000℃)需要复杂而昂贵的设备，这增加了石墨烯的生产成本。但也有不少报道提出采用含固体碳的材料作为碳源制备高质量的石墨烯。由于分解温度较低，固体碳源价格低廉，效率高，而且没有气体碳源的爆炸风险。然而，无论何种固体原料，都无法避免工艺成本较高，这是一个需要解决的巨大挑战。与此同时，作为最常见的合金材料，碳钢每年的报废量高达数亿吨。将废钢中碳原子活化并再利用为在没有外部碳源的情况下低成本生产石墨烯提供了可能。

成果简介

近期，曹宁团队提出了一种新的低成本生产石墨烯的方法。在传统的以金属作为基底的CVD体系中，石墨烯的生长遵循以Cu为代表的表面催化机制和以Ni为代表的偏析机制。得益于独一无二的自供碳衬底，在本研究中石墨烯的生长遵循新的机制——析出机制。将固态相变原理与经典CVD制备石墨烯的理论相结合，根据渗碳体在不同温度下的稳定性不同的特点，提出了还原机制和分解机制。还原机制即氢直接与Fe₃C反应，还原铁的同时生成CH_x活性基团；分解机制即氢与Fe₃C分解形成的活性C原子反应生成CH_x活性基团。以A_c1温度为界限，该温度以下只存在分解机制，形成的CH_x活性基团不足以生成石墨烯膜；该温度以上两种机制可同时发挥作用。但是温度超过A_ccm时，Fe₃C分解形成C原子会快速溶进奥氏体中，这同样不利于CH_x活性基团的形成。综上所述，最佳生长温度介于A_c1和A_ccm之间。

通过在废钢片表面真空蒸镀铜膜，在没有外加碳源的情况下，石墨烯薄膜在820℃下制备成功。所得石墨烯缺陷少，形貌均匀，可与在1000℃下生长的CVD石墨烯相媲美。最后，将所得的石墨烯薄膜与叉指电极结合使用，成功实现了NO2气体探测，探测器表现出优异的性能。该技术与传统微电子技术兼容并拓展了石墨烯在气敏器件中的应用。

图文导读

图1 (a)实验流程图。(b)石墨烯薄膜的光镜照片和拉曼表征图。(c)石墨烯薄膜的原子力显微镜图像。(d)石墨烯薄膜的TEM图像。(e)石墨烯薄膜的衍射环。

图2 (a)无Cu和H₂时基底表面碳元素的XPS表征图。(b)有Cu和H₂时基底表面碳元素的XPS表征图。(c) (a)和(b)的积分面积柱状图。(d)石墨烯生长的还原机制。(e)石墨烯生长的分解机制。

图3 (a)气敏装置模型图。(b) NO₂浓度连续变化时装置响应曲线图。(c) NO2浓度分别为100 ppb、70 ppb、50 ppb、30 ppb和15 ppb时装置的响应图

作者简介

曹宁团队由曹宁、臧晓蓓、邵庆国三位老师以及十余名硕士研究生组成，本团队一直以来聚焦时事、关注发展，主要研究方向包括能源转化材料、能量储存材料、环境材料、生物材料以先进碳材料等。自团队组建以来，累计在SCI一区TOP期刊上发表论文十余篇，并多次在“互联网+”和“挑战杯”等比赛上获奖。

曹宁，http://mse.upc.edu.cn/2018/1202/c13591a187726/page.htm

邵庆国，http://mse.upc.edu.cn/2019/0228/c13591a191278/page.htm

臧晓蓓，http://mse.upc.edu.cn/2018/1213/c13591a187731/page.htm

陈艳丽，http://mse.upc.edu.cn/2018/1203/c13593a187754/page.htm

金鑫，http://cce.upc.edu.cn/2022/0323/c19254a365313/page.htm

王洋，https://sose.uestc.edu.cn/info/1022/9252.htm

文章信息

Qi T, Shao Q, Qi H, et al. CVD growth of graphene on copper-plated scrap steel without external carbon source. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5883-8.