來(lái)源：詮釋干貨

成果簡(jiǎn)介

垂直石墨烯納米片（VGSs）是一種石墨烯材料，它保留了石墨烯的固有優(yōu)勢(shì)，并有效克服了傳統(tǒng)石墨烯所表現(xiàn)出的堆疊瓶頸。VGSs 的可擴(kuò)展生產(chǎn)可能有助于諸如場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器、生物醫(yī)學(xué)材料、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱導(dǎo)材料和催化劑載體等器件的發(fā)展。熱化學(xué)氣相沉積（CVD）方法已成為制造VGSs的一種成熟、高效且極具價(jià)值的工業(yè)策略。該技術(shù)對(duì)基底的形態(tài)和尺寸沒(méi)有限制，具有高產(chǎn)率和低設(shè)備成本的特點(diǎn)，適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃燕教授、于杰教授等人詳細(xì)介紹了在諸如碳納米纖維、碳纖維和Si顆粒等常見(jiàn)基底上利用熱CVD生長(zhǎng)垂直石墨烯片（VGSs）的分步操作指南。熱CVD法的可擴(kuò)展性有助于推進(jìn)VGSs復(fù)合材料在工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展。在碳和硅基底上成功制備 VGSs 的整個(gè)過(guò)程需要136小時(shí)45分鐘，隨后會(huì)對(duì)納米片進(jìn)行全面表征。該操作流程適合具有化學(xué)或材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的用戶(hù)。

相關(guān)工作以《Scalable growth of vertical graphene nanosheets by thermal chemical vapor deposition》為題在《Nature Protocols》上發(fā)表論文。值得注意的是，這也是哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)表的首篇Nature Protocols！

黃燕，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。入選國(guó)家級(jí)青年項(xiàng)目，廣東省杰出青年科學(xué)基金獲得者，深圳市青年科技獎(jiǎng)獲得者。研究工作主要圍繞先進(jìn)電化學(xué)能源材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及其在柔性和可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用研究。迄今為止已在Nature Commun.; Adv. Mater.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Energy Mater.; ACS Nano等國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表論文90余篇，被Nature Rev. Mater., Chem. Rev., Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)際期刊評(píng)價(jià)和引用7500余次，15篇論文被入選為ESI高被引論文，H指數(shù)44。

于杰，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。從事功能薄膜、納米材料與能源材料研究工作，在如上領(lǐng)域取得多項(xiàng)有影響的研究成果，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利及授權(quán)60 余項(xiàng)，在Nature communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Nano Energy等著名期刊發(fā)表SCI收錄學(xué)術(shù)論文100余篇， SCI他引3000余次。

圖文介紹

圖1 在CNFs或CFs和Si上通過(guò)熱CVD法生長(zhǎng)VGSs的示意圖

在本方案中，采用可擴(kuò)展的熱化學(xué)氣相沉積方法，在管式爐中合成具有錐形幾何形狀和薄邊緣的VGS。該方法包括將碳或硅材料放入管式爐中進(jìn)行加熱，然后在高溫下引入CH4和H2，以實(shí)現(xiàn)一種化學(xué)反應(yīng)，從而在基底表面原位形成VGS。

為了在碳納米纖維（CNFs）上生長(zhǎng)垂直取向的石墨烯（VGSs），首先通過(guò)靜電紡絲將聚丙烯腈（PAN）制備成一層CNF膜。然后，將該膜在500℃的馬弗爐中在空氣氛圍中進(jìn)行穩(wěn)定處理，接著在氨氣（1100℃）中進(jìn)行碳化，以預(yù)先形成少量的徑向石墨烯結(jié)構(gòu)。按照上述方法預(yù)處理好的CNFs被放入一個(gè)管式爐中，在1100℃的溫度下進(jìn)行處理。無(wú)需使用任何催化劑或模板，通過(guò)CH4的沉積作用和H2的蝕刻作用（如圖1所示）即可形成VGSs。

對(duì)于碳纖維（CFs）和硅顆粒而言，無(wú)需在氨氣中進(jìn)行穩(wěn)定化和碳化處理作為預(yù)處理步驟。它們可以直接在管式爐中加熱至相應(yīng)溫度（碳纖維：1200℃，硅：1100℃），然后引入CH4和H2以啟動(dòng)熱化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，從而使真空氣體分離層（VGSs）在其表面生長(zhǎng)（如圖1所示）。

圖2 熱CVD法的實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 熱CVD產(chǎn)物的照片

CNFs/VGSs、CFs/VGSs與Si/VGSs的實(shí)物圖如圖3所示。通過(guò)掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X射線(xiàn)衍射（XRD）和拉曼光譜對(duì)產(chǎn)物材料進(jìn)行了表征。利用掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）研究了所制備材料的形貌和產(chǎn)品表面的VGSs。采用XRD對(duì)制備材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。拉曼光譜用于研究分子結(jié)構(gòu)和表征石墨烯層數(shù)。

圖4 熱CVD產(chǎn)物的SEM圖像

對(duì)于CNFs/VGSs（圖4a、d）而言，這些纖維呈現(xiàn)出蓬松的外觀(guān)，其平均直徑仍約為250 nm，這歸因于NH3蝕刻導(dǎo)致的直徑減小以及添加VGSs后導(dǎo)致的直徑增大共同作用的結(jié)果。表面的VGSs在圓柱形纖維表面生長(zhǎng)，其邊緣暴露且相互連接，從而形成多孔結(jié)構(gòu)。原始的碳纖維的平均直徑約為8 μm，表面粗糙。對(duì)于CFs/VGSs（圖4b、e）樣品，直徑略微增加到約8.5 μm，表面完全被均勻生長(zhǎng)的VGSs覆蓋。Si顆粒的平均直徑為80-100 nm。在垂直取向石墨烯生長(zhǎng)之后，Si/VGSs（圖4c、f）呈現(xiàn)出海膽狀粒子結(jié)構(gòu)，表面的VGSs提供了豐富的多孔結(jié)構(gòu)。

圖5 熱CVD產(chǎn)物的TEM圖像

圖5a、b中CNFs/VGSs的TEM圖像表明，VGSs能夠在每個(gè)CNFs上密集且均勻地生長(zhǎng)。在TEM圖像中觀(guān)察到的納米纖維直徑與SEM圖像（圖4d）中測(cè)量的直徑大致相同，而CNFs/VGSs表面的VGSs向邊緣逐漸變薄，呈現(xiàn)出平均垂直高度為100 nm的圓錐形。CF/VGSs樣品也發(fā)現(xiàn)VGSs成功地在每個(gè)CFs上生長(zhǎng)（圖5c），平均垂直高度為120 nm，CFs/VGSs的邊緣顯示出四到五層，條紋間距約為0.34 nm（圖5d），這對(duì)應(yīng)于石墨的(002)晶面。圖5e、f 確認(rèn)了蓬松的石墨烯片垂直生長(zhǎng)在 Si/VGSs樣品的表面，VGSs（平均垂直高度為80 nm）相互連接。在圖5g中，Si和VGSs之間的異質(zhì)界面清晰可見(jiàn)。此外，在Si表面生長(zhǎng)的VGSs也呈現(xiàn)出圓錐形，邊緣由少層石墨烯組成（圖5h）。

圖6 熱CVD產(chǎn)物的XRD圖譜

本文討論了在碳纖維（CFs）基底和硅基底上生長(zhǎng)的垂直石墨烯片（VGSs）的XRD和拉曼結(jié)果，根據(jù)其成分（碳或硅）進(jìn)行分析。碳纖維的XRD圖譜（圖6a）在24.8°處顯示出一個(gè)寬峰，對(duì)應(yīng)于石墨的(002)晶面；石墨的(100)晶面特征峰不明顯。如圖6a所示，CFs/VGSs的(002)峰移至25.9°，且峰形變得更尖銳，表明生長(zhǎng)的石墨烯片具有更好的結(jié)晶性。對(duì)于Si/VGSs（圖6b），在26.4°和42°處出現(xiàn)石墨特征峰，這表明垂直石墨烯片已成功引入到原始硅基底上。

圖7 熱CVD產(chǎn)物的拉曼光譜

約1350、1600和2700 cm-1處的特征峰分別對(duì)應(yīng)碳材料的D峰和G峰以及石墨烯的2D特征峰。對(duì)于CFs/VGSs（圖7a），新生成的尖銳2D峰證實(shí)了VGSs（通過(guò)熱CVD法制備）為石墨烯。G峰與2D峰的強(qiáng)度面積比約為0.71，表明CFs/VGSs 中的VGSs具有少層石墨烯結(jié)構(gòu)。如圖7b所示，Si的拉曼光譜顯示了硅的特征峰約500 cm-1和900 cm-1；然后，在Si上引入VGSs出現(xiàn)了D、G和2D的新峰，證實(shí)了VGSs的成功制備。此外，Si/VGSs中G峰與2D峰的強(qiáng)度面積比約為0.68，這表明Si/VGSs中的VGSs為少層結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)信息

Scalable growth of vertical graphene nanosheets by thermal chemical vapor deposition，Nature Protocols，2025.

https://www.nature.com/articles/s41596-025-01219-8

由于公眾號(hào)改版，為防錯(cuò)過(guò)更多資源，給我們加個(gè)星標(biāo)吧

說(shuō)明：來(lái)源：詮釋干貨，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)?jiān)陂_(kāi)頭注明來(lái)源。僅供學(xué)習(xí)交流分享使用，版權(quán)歸原作者所有，文章只代表作者本人觀(guān)點(diǎn)，不代表公眾號(hào)立場(chǎng)。如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們（Hilib oy）刪除，感謝支持！也歡迎有興趣的朋友分享、投稿、申請(qǐng)轉(zhuǎn)載、互開(kāi)長(zhǎng)白。

了解更多信息

↓↓↓歡迎點(diǎn)贊和推薦哦