富勒烯（C₆₀）因獨特的光電、催化和潤滑性能而備受關(guān)注。但是，C₆₀在強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，中國科學院蘭州化學物理研究所科研團隊聯(lián)合瑞士巴塞爾大學、奧地利薩爾茨堡大學的科研人員，在制備石墨烯量子點研究方面取得進展。該團隊結(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乃至更大尺寸石墨烯片的完整演化路徑。

研究發(fā)現(xiàn)，當在800 K下進行退火時，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。這些量子點能夠通過擴展融合得到面積達數(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)表面具有中等強度的吸附作用以及獨特的表面陷附效應(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》上。研究工作得到國家自然科學基金、歐洲研究委員會相關(guān)項目、瑞士國家自然科學基金的支持。

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Pt(111)上C₆₀島的熱演化示意圖

來源：中科院