成果简介
利用基底直接在目标上生长石墨烯化学气相沉积（CVD）是实现石墨烯应用的重要途径。然而，基底通常为催化惰性且形状特殊，因此大规模、高均匀性和高质量的石墨烯生长具有挑战性。本文，北京大学与北京石墨烯研究院刘忠范-亓月课题组《 J. Am. Chem. Soc》期刊发表名为“Fluid-Dynamics-Rectified Chemical Vapor Deposition (CVD) Preparing Graphene-Skinned Glass Fiber Fabric and Its Application in Natural Energy Harvest”的论文，研究通过在玻璃纤维织物（一种广泛使用的工程材料）上进行石墨烯 CVD 生长，开发出了石墨烯蒙烯玻璃纤维织物（GGFF）。首先提出了一种流体动力学整流策略，以协同调节碳物种在三维空间中的分布及其与分层结构基底的碰撞，从而在大规模三维编织物中实现高质量石墨烯在纤维上的高度均匀沉积。这种策略具有通用性，适用于使用各种碳前驱体的 CVD 系统。GGFF 具有高导电性和光热转换能力，在此基础上首次开发出一种自然能源收集器。它既能收集太阳能，也能收集雨滴能。
图文导读
图 1. 采用和不采用流体动力学整流策略制造 GGFF
图2. 流体动力学模拟和石墨烯在 GFF 上沿着 CVD 系统中的气流进行 CVD 生长。
图3. 流体动力学模拟和石墨烯在垂直于GGFF方向的GFF上的CVD生长。
图4. 流体力学整流对石墨烯在 GFF 上生长质量的影响
图5. 流体动力学整流策略的通用性和可扩展性
图6. 基于GGFF的自然能源收集器，具有太阳能加热和液滴发电（DEG）功能
小结
要实现 CVD 石墨烯的无转移应用，生长基底的选择至关重要，这将在很大程度上影响所得石墨烯复合材料的结构和性能。这些基底通常是电介质，对石墨烯的生长无催化作用，更重要的是，基底的宏观结构多样而复杂，甚至具有三维分层特征。因此，要在这些基底上实现高均匀性的高质量石墨烯生长具有很大的挑战性，这将在很大程度上限制 CVD 石墨烯的无转移应用。GFF 是一种广泛应用的商业工程材料。通过在 GFF 上进行石墨烯 CVD 生长来开发 GGFF 将为石墨烯的应用开辟新的途径。
基于 GGFF 在导电性和光热转换方面的特性优势，我们首先开发了一种天然能源收集器，它有望在不同气候条件下利用丰富的天然能源来减轻全球能源负担。在制备 GGFF 的过程中，首次提出了流体动力学整流策略，成功实现了在大型织物的三维编织结构中将高质量石墨烯高度均匀地沉积在纤维上。值得注意的是，流体动力学整流策略在各种CVD系统（包括使用不同碳前驱体的系统）中都具有通用性和可扩展性。此外，这种方法还可用于在氧化铝纤维织物和石英板等替代基底上生长石墨烯，从而促进石墨烯复合材料的开发，如石墨烯氧化铝纤维织物和石墨烯石英板。这将打破CVD石墨烯制备和应用过程中基底形态和结构的限制，极大地丰富石墨烯复合材料的多样性，为石墨烯的实际应用开辟新的途径。
文献：https://doi.org/10.1021/jacs.4c07609
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