石墨烯纤维材料的化学气相沉积生长方法

程熠 王坤 亓月 刘忠范

引用本文: 程熠, 王坤, 亓月, 刘忠范. 石墨烯纤维材料的化学气相沉积生长方法[J]. 物理化学学报, 2022, 38(2): 2006046-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006046 shu
Citation:  Yi Cheng, Kun Wang, Yue Qi, Zhongfan Liu. Chemical Vapor Deposition Method for Graphene Fiber Materials[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(2): 2006046-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006046 shu

石墨烯纤维材料的化学气相沉积生长方法

    作者简介:

    亓月,1990年出生,2018年获得北京大学博士学位。现为北京大学助理研究员,北京石墨烯研究院课题组长。主要研究方向石墨烯纤维材料的制备及应用;
    刘忠范,1962年出生,1990年获东京大学博士学位。现为北京大学教授,博士生导师,北京石墨烯研究院院长,中国科学院院士。主要研究方向为石墨烯的CVD生长方法与应用;
    通讯作者: 亓月, qiyue-cnc@pku.edu.cn; 刘忠范, zfliu@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展规划项目(973) 2016YFA0200103

    国家自然科学基金 51520105003

    国家自然科学基金 51432002

    国家自然科学基金 U1904193

    北京分子科学国家研究中心 BNLMS-CXTD-202001

    北京市科学技术委员会 Z181100004818001

摘要: 石墨烯纤维材料是以石墨烯为主要结构基元沿某一特定方向组装而成或由石墨烯包覆纤维状基元形成的宏观一维材料。根据组成基元的不同可将石墨烯纤维材料分为石墨烯纤维和石墨烯包覆复合纤维。石墨烯纤维材料在一维方向上充分发挥了石墨烯高强度、高导电、高导热等特点,在智能纤维与织物、柔性储能器件、便携式电子器件等领域具有广阔的应用前景。随着化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备石墨烯薄膜技术的发展,CVD技术也逐渐应用于石墨烯纤维材料的制备。利用CVD法制备石墨烯纤维可避免传统纺丝工艺中繁琐的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)还原过程。同时,通过CVD法直接将石墨烯沉积至纤维表面可以保证石墨烯与纤维基底之间强的粘附作用,提高复合纤维的稳定性,同时可实现对石墨烯质量的有效调控。本文综述了石墨烯纤维材料的CVD制备方法,石墨烯纤维材料优异的力学、电学、光学性质及其在智能传感、光电器件、柔性电极等领域的应用,并展望了CVD法制备石墨烯纤维材料未来的发展方向。

English

    1. [1]

      Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183. doi: 10.1038/nmat1849

    2. [2]

      Balandin, A. A. Nat. Mater. 2011, 10, 569. doi: 10.1038/nmat3064

    3. [3]

      Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. Science 2008, 320, 1308. doi: 10.1126/science.1156965

    4. [4]

      Zhu, Y.; Murali, S.; Cai, W.; Li, X.; Suk, J. W.; Potts, J. R.; Ruoff, R. S. Adv. Mater. 2010, 22, 3906. doi: 10.1002/adma.201001068

    5. [5]

      Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385. doi: 10.1126/science.1157996

    6. [6]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    7. [7]

      Wang, L.; Wang, Y.; Xu, T.; Liao, H.; Yao, C.; Liu, Y.; Li, Z.; Chen, Z.; Pan, D.; Sun, L.; et al. Nat. Commun. 2014, 5, 5357. doi: 10.1038/ncomms6357

    8. [8]

      Meng, F.; Lu, W.; Li, Q.; Byun, J. H.; Oh, Y.; Chou, T. W. Adv. Mater. 2015, 27, 5113. doi: 10.1002/adma.201501126

    9. [9]

      Nair, R. R.; Wu, H. A.; Jayaram, P. N.; Grigorieva, I. V.; Geim, A. K. Science 2012, 335, 442. doi: 10.1126/science.1211694

    10. [10]

      Zhu, C.; Han, T. Y.; Duoss, E. B.; Golobic, A. M.; Kuntz, J. D.; Spadaccini, C. M.; Worsley, M. A. Nat. Commun. 2015, 6, 6962. doi: 10.1038/ncomms7962

    11. [11]

      Yan, Y.; Gong, J.; Chen, J.; Zeng, Z.; Huang, W.; Pu, K.; Liu, J.; Chen, P. Adv. Mater. 2019, 31, 1808283. doi: 10.1002/adma.201808283

    12. [12]

      Yan, C.; Cho, J. H.; Ahn, J. H. Nanoscale 2012, 4, 4870. doi: 10.1039/c2nr30994g

    13. [13]

      Yi, F.; Ren, H.; Shan, J.; Sun, X.; Wei, D.; Liu, Z. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 3152. doi: 10.1039/c7cs00849j

    14. [14]

      Kim, Y.; Cruz, S. S.; Lee, K.; Alawode, B. O.; Choi, C.; Song, Y.; Johnson, J. M.; Heidelberger, C.; Kong, W.; Choi, S.; et al. Nature 2017, 544, 340. doi: 10.1038/nature22053

    15. [15]

      Goossens, S.; Navickaite, G.; Monasterio, C.; Gupta, S.; Piqueras, J. J.; Perez, R.; Burwell, G.; Nikitskiy, I.; Lasanta, T.; Galan, T.; et al. Nat. Photon. 2017, 11, 366. doi: 10.1038/nphoton.2017.75

    16. [16]

      Sun, H.; Xu, Z.; Gao, C. Adv. Mater. 2013, 25, 2554. doi: 10.1002/adma.201204576

    17. [17]

      Fang, B.; Chang, D.; Xu, Z.; Gao, C. Adv. Mater. 2020, 32, e1902664. doi: 10.1002/adma.201902664

    18. [18]

      Chen, L.; Liu, Y.; Zhao, Y.; Chen, N.; Qu, L. Nanotechnology 2016, 27, 032001. doi: 10.1088/0957-4484/27/3/032001

    19. [19]

      Xu, Z.; Gao, C. Nat. Commun. 2011, 2, 571. doi: 10.1038/ncomms1583

    20. [20]

      Xu, Z.; Sun, H.; Zhao, X.; Gao, C. Adv. Mater. 2013, 25, 188. doi: 10.1002/adma.201203448

    21. [21]

      Tian, Q.; Xu, Z.; Liu, Y.; Fang, B.; Peng, L.; Xi, J.; Li, Z.; Gao, C. Nanoscale 2017, 9, 12335. doi: 10.1039/c7nr03895j

    22. [22]

      Hu, C.; Zhao, Y.; Cheng, H.; Wang, Y.; Dong, Z.; Jiang, C.; Zhai, X.; Jiang, L.; Qu, L. Nano Lett. 2012, 12, 5879. doi: 10.1021/nl303243h

    23. [23]

      Cheng, H.; Hu, Y.; Zhao, F.; Dong, Z.; Wang, Y.; Chen, N.; Zhang, Z.; Qu, L. Adv. Mater. 2014, 26, 2909. doi: 10.1002/adma.201305708

    24. [24]

      Jang, E. Y.; Carretero-Gonzalez, J.; Choi, A.; Kim, W. J.; Kozlov, M. E.; Kim, T.; Kang, T. J.; Baek, S. J.; Kim, D. W.; Park, Y. W.; et al. Nanotechnology 2012, 23, 235601. doi: 10.1088/0957-4484/23/23/235601

    25. [25]

      Chen, J.; Zhao, D.; Jin, X.; Wang, C.; Wang, D.; Ge, H. Compos. Sci. Technol. 2014, 97, 41. doi: 10.1016/j.compscitech.2014.03.023

    26. [26]

      Ning, N.; Zhang, W.; Yan, J.; Xu, F.; Wang, T.; Su, H.; Tang, C.; Fu, Q. Polymer 2013, 54, 303. doi: 10.1016/j.polymer.2012.11.045

    27. [27]

      Mahmood, H.; Tripathi, M.; Pugno, N.; Pegoretti, A. Compos. Sci. Technol. 2016, 126, 149. doi: 10.1016/j.compscitech.2016.02.016

    28. [28]

      Bao, Q.; Zhang, H.; Wang, Y.; Ni, Z.; Yan, Y.; Shen, Z. X.; Loh, K. P.; Tang, D. Y. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 3077. doi: 10.1002/adfm.200901007

    29. [29]

      Li, W.; Yi, L.; Zheng, R.; Ni, Z.; Hu, W. Photon. Res. 2016, 4, 41. doi: 10.1364/prj.4.000041

    30. [30]

      Zhang, J.; Lin, L.; Jia, K.; Sun, L.; Peng, H.; Liu, Z. Adv. Mater. 2020, 32, e1903266. doi: 10.1002/adma.201903266

    31. [31]

      Lin, L.; Deng, B.; Sun, J.; Peng, H.; Liu, Z. Chem. Rev. 2018, 118, 9281. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00325

    32. [32]

      Lin, L.; Li, J.; Yuan, Q.; Li, Q.; Zhang, J.; Sun, L.; Rui, D.; Chen, Z.; Jia, K.; Wang, M.; et al. Sci. Adv. 2019, 5, eaaw8337. doi: 10.1126/sciadv.aaw8337

    33. [33]

      Wei, D.; Liu, Y.; Zhang, H.; Huang, L.; Wu, B.; Chen, J.; Yu, G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 11147. doi: 10.1021/ja903092k

    34. [34]

      Cui, C.; Qian, W.; Yu, Y.; Kong, C.; Yu, B.; Xiang, L.; Wei, F. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2256. doi: 10.1021/ja412219r

    35. [35]

      Chen, T.; Dai, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14947. doi: 10.1002/anie.201507246

    36. [36]

      Wang, X.; Qiu, Y.; Cao, W.; Hu, P. Chem. Mater. 2015, 27, 6969. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02098

    37. [37]

      Wang, Y.; Wang, L.; Yang, T.; Li, X.; Zang, X.; Zhu, M.; Wang, K.; Wu, D.; Zhu, H. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 4666. doi: 10.1002/adfm.201400379

    38. [38]

      He, T.; Lin, C.; Shi, L.; Wang, R.; Sun, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 9653. doi: 10.1021/acsami.7b17975

    39. [39]

      Li, X.; Sun, P.; Fan, L.; Zhu, M.; Wang, K.; Zhong, M.; Wei, J.; Wu, D.; Cheng, Y.; Zhu, H. Sci. Rep. 2012, 2, 395. doi: 10.1038/srep00395

    40. [40]

      Tabassian, R.; Nguyen, V. H.; Umrao, S.; Mahato, M.; Kim, J.; Porfiri, M.; Oh, I. K. Adv. Sci. 2019, 6, 1901711. doi: 10.1002/advs.201901711

    41. [41]

      Zeng, J.; Ji, X.; Ma, Y.; Zhang, Z.; Wang, S.; Ren, Z.; Zhi, C.; Yu, J. Adv. Mater. 2018, 30, e1705380. doi: 10.1002/adma.201705380

    42. [42]

      Choi, B. G.; Yang, M.; Hong, W. H.; Choi, J. W.; Huh, Y. S. ACS Nano 2012, 6, 4020. doi: 10.1021/nn3003345

    43. [43]

      Chen, Z.; Ren, W.; Gao, L.; Liu, B.; Pei, S.; Cheng, H. M. Nat. Mater. 2011, 10, 424. doi: 10.1038/nmat3001

    44. [44]

      Li, X.; Zhao, T.; Wang, K.; Yang, Y.; Wei, J.; Kang, F.; Wu, D.; Zhu, H. Langmuir 2011, 27, 12164. doi: 10.1021/la202380g

    45. [45]

      Choi, Y. S.; Yeo, C. S.; Kim, S. J.; Lee, J. Y.; Kim, Y.; Cho, K. R.; Ju, S.; Hong, B. H.; Park, S. Y. Nanoscale 2019, 11, 12637. doi: 10.1039/c8nr07527a

    46. [46]

      Prewo, K. M.; Brennan, J. J. J. Mater. Sci. 1980, 15, 463. doi: 10.1007/bf00551699

    47. [47]

      Thomas, W. F. Nature 1973, 242, 455. doi: 10.1038/242455a0

    48. [48]

      Rioux, M.; Ledemi, Y.; Viens, J.; Morency, S.; Ghaffari, S. A.; Messaddeq, Y. RSC Adv. 2015, 5, 40236. doi: 10.1039/c5ra00681c

    49. [49]

      Guo, C.; Duan, H.; Dong, C.; Zhao, G.; Liu, Y.; Yang, Y. Mater. Lett. 2015, 143, 124. doi: 10.1016/j.matlet.2014.12.091

    50. [50]

      陈旭东, 陈召龙, 孙靖宇, 张艳锋, 刘忠范. 物理化学学报, 2016, 32, 14. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511133Chen, X. D.; Chen, Z. L.; Sun, J. Y.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 14. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511133

    51. [51]

      陈召龙, 高鹏, 刘忠范. 物理化学学报, 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004Chen, Z. L.; Gao, P.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004

    52. [52]

      Chen, Y.; Sun, J.; Gao, J.; Du, F.; Han, Q.; Nie, Y.; Chen, Z.; Bachmatiuk, A.; Priydarshi, M. K.; Ma, D.; et al. Adv. Mater. 2015, 27, 7839. doi: 10.1002/adma.201504229

    53. [53]

      Cui, G.; Cheng, Y.; Liu, C.; Huang, K.; Li, J.; Wang, P.; Duan, X.; Chen, K.; Liu, K.; Liu, Z. ACS Nano 2020, 14, 5938. doi: 10.1021/acsnano.0c01298

    54. [54]

      Chen, Z.; Qi, Y.; Chen, X.; Zhang, Y.; Liu, Z. Adv. Mater. 2019, 31, 1803639. doi: 10.1002/adma.201803639

    55. [55]

      Benabid, F.; Knight, J. C.; Antonopoulos, G.; Russell, P. S. J. Science 2002, 298, 399. doi: 10.1126/science.1076408

    56. [56]

      He, R.; Sazio, P. J. A.; Peacock, A. C.; Healy, N.; Sparks, J. R.; Krishnamurthi, M.; Gopalan, V.; Badding, J. V. Nat. Photon. 2012, 6, 174. doi: 10.1038/nphoton.2011.352

    57. [57]

      Koettig, F.; Novoa, D.; Tani, F.; Guenendi, M. C.; Cassataro, M.; Travers, J. C.; Russell, P. S. J. Nat. Commun. 2017, 8, 813. doi: 10.1038/s41467-017-00943-4

    58. [58]

      Liu, M.; Yin, X.; Ulin-Avila, E.; Geng, B.; Zentgraf, T.; Ju, L.; Wang, F.; Zhang, X. Nature 2011, 474, 64. doi: 10.1038/nature10067

    59. [59]

      Luo, Z.; Zhou, M.; Weng, J.; Huang, G.; Xu, H.; Ye, C.; Cai, Z. Opt. Lett. 2010, 35, 3709. doi: 10.1364/ol.35.003709

    60. [60]

      Song, Y. W.; Jang, S. Y.; Han, W. S.; Bae, M. K. Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 051122. doi: 10.1063/1.3309669

    61. [61]

      Liu, Z. B.; He, X.; Wang, D. N. Opt. Lett. 2011, 36, 3024. doi: 10.1364/ol.36.003024

    62. [62]

      Choi, S. Y.; Jeong, H.; Hong, B. H.; Rotermund, F.; Yeom, D. I. Laser Phys. Lett. 2014, 11, 015101. doi: 10.1088/1612-2011/11/1/015101

    63. [63]

      Wang, H.; Xu, X.; Li, J.; Lin, L.; Sun, L.; Sun, X.; Zhao, S.; Tan, C.; Chen, C.; Dang, W.; et al. Adv. Mater. 2016, 28, 8968. doi: 10.1002/adma.201603579

    64. [64]

      Chen, K.; Zhou, X.; Cheng, X.; Qiao, R.; Cheng, Y.; Liu, C.; Xie, Y.; Yu, W.; Yao, F.; Sun, Z.; et al. Nat. Photon. 2019, 13, 754. doi: 10.1038/s41566-019-0492-5

    65. [65]

      Qi, Y.; Deng, B.; Guo, X.; Chen, S.; Gao, J.; Li, T.; Dou, Z.; Ci, H.; Sun, J.; Chen, Z.; et al. Adv. Mater. 2018, 30, 1704839. doi: 10.1002/adma.201704839

    66. [66]

      Ci, H.; Ren, H.; Qi, Y.; Chen, X.; Chen, Z.; Zhang, J.; Zhang, Y.; Liu, Z. Nano Res. 2018, 11, 3106. doi: 10.1007/s12274-017-1839-1

    67. [67]

      Malesevic, A.; Vitchev, R.; Schouteden, K.; Volodin, A.; Zhang, L.; Van Tendeloo, G.; Vanhulsel, A.; Van Haesendonck, C. Nanotechnology 2008, 19, 305604. doi: 10.1088/0957-4484/19/30/305604

    68. [68]

      Neyts, E. C.; van Duin, A. C. T.; Bogaerts, A. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 1256. doi: 10.1021/ja2096317

    69. [69]

      Wei, N.; Li, Q.; Cong, S.; Ci, H.; Song, Y.; Yang, Q.; Lu, C.; Li, C.; Zou, G.; Sun, J.; et al. J. Mater. Chem. C 2019, 7, 4813. doi: 10.1039/c9ta00299e

    70. [70]

      Zhao, S.; Liu, X.; Xu, Z.; Ren, H.; Deng, B.; Tang, M.; Lu, L.; Fu, X.; Peng, H.; Liu, Z.; et al. Nano Lett. 2016, 16, 7731. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b03829

    71. [71]

      Manikandan, A.; Lee, L.; Wang, Y. C.; Chen, C. W.; Chen, Y. Z.; Medina, H.; Tseng, J. Y.; Wang, Z. M.; Chueh, Y. L. J. Mater. Chem. C 2017, 5, 13320. doi: 10.1039/c7ta01767g

    72. [72]

      Liao, L.; Lin, Y. C.; Bao, M.; Cheng, R.; Bai, J.; Liu, Y.; Qu, Y.; Wang, K. L.; Huang, Y.; Duan, X. Nature 2010, 467, 305. doi: 10.1038/nature09405

    73. [73]

      Li, X. S.; Cai, W. W.; An, J. H.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D. X.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; et al. Science 2009, 324, 1312. doi: 10.1126/science.1171245

    74. [74]

      Jang, L. W.; Zhang, L.; Menghini, M.; Cho, H.; Hwang, J. Y.; Son, D. I.; Locquet, J. P.; Seo, J. W. Carbon 2018, 139, 666. doi: 10.1016/j.carbon.2018.07.033

    75. [75]

      Mehta, R.; Chugh, S.; Chen, Z. Nano Lett. 2015, 15, 2024. doi: 10.1021/nl504889t

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  9
  • 文章访问数:  185
  • HTML全文浏览量:  28
文章相关
  • 发布日期:  2022-02-15
  • 收稿日期:  2020-06-18
  • 接受日期:  2020-07-30
  • 修回日期:  2020-07-29
  • 网络出版日期:  2020-08-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章