垂直取向石墨烯在铝箔上的无催化剂合成及沉积机制研究：为储能应用开辟新路径

为解决商业铝箔在储能设备中存在的接触面积有限、界面导电性差等问题，研究人员开展了在铝箔上无催化剂合成垂直取向石墨烯（VG）的研究。结果表明可控制备出 VG，还揭示了其沉积机制，这为 VG - 铝箔在储能应用提供重要依据。

　　

在当今能源存储领域，各种设备的性能提升至关重要。铝箔因其成本效益高、重量轻，被广泛用作电解电容器、超级电容器、锂离子电池和钠离子电池等储能设备的集流体。然而，商业铝箔存在一些 “短板”。它与活性材料的接触面积有限，这就好比两个 “合作伙伴” 之间的 “握手” 不够紧密，导致它们之间的粘附力弱，界面导电性也不佳。这些问题最终会降低储能设备的倍率性能和循环稳定性，就像给设备的 “能力发挥” 套上了枷锁。

而石墨烯，这种由 sp²碳原子组成的二维蜂窝状晶格材料，就像是储能领域的一颗 “希望之星”。它拥有出色的机械、电气、光学和热性能，众多研究已经证实，给铝箔穿上一层石墨烯 “外衣”，可以显著提高铝箔的耐腐蚀性和导电性。不过，以往大多数研究都集中在常规的水平取向石墨烯（HG）上，这种石墨烯片层是平行于基底排列的。与 HG 相比，垂直取向石墨烯（VG）有着独特的优势，它的片层垂直于基底，具有非团聚的相互连接结构、可控的片间连通性、高的表面质量比以及密集的原子级石墨边缘阵列，这些特点让 VG 在能源和环境应用方面极具潜力。但目前，关于 VG 修饰铝集流体的研究较少，而且在无催化剂的情况下，VG 在铝箔上的生长机制还是一个未解之谜。

为了揭开这个谜团，充分发挥 VG - 铝箔的优势，研究人员开展了相关研究。虽然文中未提及具体研究机构，但研究人员利用自制的水平圆筒炉，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，在商业铝箔上直接生长 VG，且不使用任何催化剂。这项研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为储能领域带来了新的曙光。

研究人员主要运用了 PECVD 技术，该技术通过射频（RF，13.56MHz）作为等离子体源，将前驱体引入炉内，在真空加热环境下实现 VG 的生长。同时，利用 X 射线光电子能谱（XPS）分析碳、Al_xO_y和金属 Al 在界面处的化学相互作用。

结果与讨论

1. 前驱体的影响：前驱体在通过 PECVD 过程生长的 VG 的形态和性能方面起着关键作用。研究人员探索了多种前驱体，挥发性小烃类（如 CH₄、C₂H₂和 C₂H₄）是常用的前驱体，而 C₃H₆作为热解碳沉积的主要碳源，此前研究较少。研究发现，能有效产生碳二聚体且 H:C 比更高的前驱体，更有利于制备高生长速率和优良结晶度的 VG。
2. 沉积温度的作用：沉积温度对 VG 的形成起着决定性作用。在较低温度（如 500°C）下，无法形成 VG。只有在合适的温度条件下，VG 才能顺利生长。
3. VG 的生长过程：VG 的生长过程可分为三个明显阶段。首先是缓冲碳纳米岛的形成，就像是搭建高楼的 “基石”；接着是成核阶段，为后续的生长奠定基础；最后是后续生长阶段，逐渐形成垂直取向的石墨烯结构。
4. 界面结构分析：通过 XPS 分析发现，在 VG 层和底层铝基底之间存在扩散层和界面层，这揭示了碳、Al_xO_y和金属 Al 在界面处存在化学相互作用，这种相互作用对 VG - 铝箔的性能有着重要影响。

研究结论与意义

研究人员成功地在商业铝箔上通过无催化剂的 PECVD 合成出花瓣状的 VG。这些 VG 由垂直取向的弯曲碳花瓣组成，厚度仅有几纳米，每个碳花瓣中，有少量石墨烯片层平行堆叠，层间距为 0.34nm，在生长过程中形成了多个褶皱以维持垂直结构的稳定性。

这项研究明确了前驱体类型和沉积温度等工艺参数对 VG 合成的影响，提出了 VG 在铝箔表面生长以及碳原子向铝箔扩散的沉积机制。这一成果为优化 VG - 铝箔在储能设备中的应用提供了重要的理论依据，有助于推动储能领域的发展，提升储能设备的性能，为未来能源存储技术的进步奠定了坚实基础。