富勒烯(C60)因獨(dú)特的光電、催化和潤滑性能而備受關(guān)注。但是,C60在強(qiáng)相互作用的金屬表面難以形成有序的聚合物結(jié)構(gòu)。因此,如何捕捉到C60聚合過程中的關(guān)鍵中間體并實現(xiàn)可控轉(zhuǎn)化是材料合成領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

近日,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊聯(lián)合瑞士巴塞爾大學(xué)、奧地利薩爾茨堡大學(xué)的科研人員,在制備石墨烯量子點(diǎn)研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊結(jié)合原位熱退火與非接觸原子力顯微技術(shù),在金屬Pt(111)表面捕獲到穩(wěn)定的C60二聚體,并揭示了這種二聚體向石墨烯量子點(diǎn)乃至更大尺寸石墨烯片的完整演化路徑。

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)在800 K下進(jìn)行退火時,位于C60分子島邊緣、配位數(shù)較低的分子會脫離分子島。這些低配位分子之間隨后發(fā)生[2+2]環(huán)加成反應(yīng),形成啞鈴狀的C60二聚體。研究利用nc-AFM多重掃描技術(shù),在亞分子級直接觀測到該二聚體的結(jié)構(gòu)——由兩個直徑約為1.1 nm的C60單元構(gòu)成。理論計算證實,Pt(111)表面獨(dú)特的能量平衡使得形成的二聚體比分子島內(nèi)處于低配位狀態(tài)的單個C60分子更為穩(wěn)定。進(jìn)一步,研究將退火溫度升高至900 K時發(fā)現(xiàn),捕獲到的C60二聚體結(jié)構(gòu)打開碳籠形成石墨烯量子點(diǎn)。這些量子點(diǎn)能夠通過擴(kuò)展融合得到面積達(dá)數(shù)十平方納米、具有5×5R0°超晶格結(jié)構(gòu)的石墨烯片。

研究顯示,C60二聚體的能壘僅為1.08 eV,低于C60分子直接在Pt表面分解所需的能壘。理論分析提出,Pt(111)表面具有中等強(qiáng)度的吸附作用以及獨(dú)特的表面陷附效應(yīng)是形成穩(wěn)定C60二聚體的關(guān)鍵因素。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、歐洲研究委員會相關(guān)項目、瑞士國家自然科學(xué)基金的支持。

Pt(111)上C60島的熱演化示意圖