成果介紹

石墨烯在介電/絕緣材料上的直接化學(xué)氣相沉積(CVD)生長是實現(xiàn)其實際應(yīng)用的重要策略?！俺壝上┎牧稀笔潜本┦┭芯吭?BGI)提出的石墨烯應(yīng)用的新思路。該思路通過高溫生長過程和巧妙的工藝設(shè)計，在傳統(tǒng)材料表面沉積連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，賦予傳統(tǒng)材料全新的功能，讓原子級厚度的石墨烯薄膜搭乘傳統(tǒng)材料載體走進市場。蒙烯玻璃纖維是北京石墨烯研究院自主研發(fā)的一類新型復(fù)合材料，是超級蒙烯材料的典型代表。

目前，蒙烯玻璃纖維已經(jīng)實現(xiàn)在飛行器防除冰、風(fēng)電葉片防除冰等領(lǐng)域的應(yīng)用落地。然而，在不斷推進蒙烯玻璃纖維應(yīng)用轉(zhuǎn)化的同時，材料的制備產(chǎn)能與成本逐漸成為制約其實際應(yīng)用的瓶頸。區(qū)別于催化性金屬襯底上石墨烯的CVD生長，石墨烯在無催化非金屬襯底上的生長面臨著諸多棘手問題，特別是生長速率受限問題，嚴(yán)重阻礙了材料的大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。

針對這一問題，北京石墨烯研究院提出了高電負性粒子與活性碳物種在玻璃纖維襯底表面“共吸附”的控制策略，利用工業(yè)上常用的二氯甲烷作為碳源，加速石墨烯CVD生長中的碳源裂解、吸附和石墨烯邊緣脫氫等一系列基元步驟，實現(xiàn)了石墨烯生長速率的大幅提升，僅需30 s即可實現(xiàn)石墨烯在玻璃纖維織物表面的全覆蓋，比傳統(tǒng)生長方法提高了約3個數(shù)量級，碳利用率提高約960倍。相關(guān)研究成果以“Multispecies-coadsorption-induced rapid preparation of graphene glass fiber fabric and applications in flexible pressure sensor”為題，于6月12日發(fā)表在《Nature Communications》上。

圖2: 玻璃纖維上不同碳源條件下（a）與不同襯底上（b）石墨烯的生長速率對比。

圖3: 密度泛函理論（DFT）計算揭示二氯甲烷CVD體系中石墨烯快速生長的機制。