富勒烯（C₆₀）以其獨(dú)特的光電、催化和潤(rùn)滑性能備受關(guān)注。然而，它們?cè)趶?qiáng)相互作用的金屬表面（如Pt、Ni）上難以形成有序的聚合物結(jié)構(gòu)。因此，如何捕捉到其聚合過(guò)程中的關(guān)鍵中間體并實(shí)現(xiàn)可控轉(zhuǎn)化，一直是材料合成領(lǐng)域懸而未決的挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤(rùn)滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心納米潤(rùn)滑課題組聯(lián)合瑞士巴塞爾大學(xué)、奧地利薩爾茨堡大學(xué)，在制備石墨烯量子點(diǎn)研究方面取得了突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地結(jié)合原位熱退火與非接觸原子力顯微技術(shù)（nc-AFM），首次在金屬Pt(111)表面成功捕獲到穩(wěn)定的C₆₀二聚體，清晰地揭示了這種二聚體向石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）乃至更大尺寸石墨烯片的完整演化路徑。

圖1. Pt(111)上C₆₀島的熱演化示意圖。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在800 K下進(jìn)行退火時(shí)，位于C₆₀分子島邊緣、配位數(shù)較低（≤4）的分子會(huì)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。研究團(tuán)隊(duì)利用nc-AFM的多重掃描技術(shù)，在亞分子級(jí)別直接觀測(cè)到了該二聚體的結(jié)構(gòu)——由兩個(gè)直徑約為1.1 nm的C₆₀單元構(gòu)成。理論計(jì)算（DFT）證實(shí)，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(gè)C₆₀分子更為穩(wěn)定。進(jìn)一步將退火溫度升高至900 K，這些捕獲到的C₆₀二聚體結(jié)構(gòu)會(huì)打開(kāi)碳籠形成石墨烯量子點(diǎn)。這些量子點(diǎn)最終能夠通過(guò)擴(kuò)展融合得到面積達(dá)數(shù)十平方納米、具有5×5R0^o超晶格結(jié)構(gòu)的石墨烯片。

圖2. nc-AFM表征Pt(111)上C₆₀島的熱演化。

該研究揭示了金屬Pt表面C₆₀向石墨烯轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)路徑，形成二聚體的能壘僅為1.08 eV，遠(yuǎn)低于C₆₀分子直接在Pt表面分解所需的能壘。理論分析指出，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。相比之下，在Au或Cu等金屬表面則無(wú)法形成這種穩(wěn)定的二聚體。

圖3. nc-AFM表征C₆₀二聚體。

該研究應(yīng)用前景包括石墨烯可控合成——通過(guò)調(diào)控退火溫度，實(shí)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)尺寸與質(zhì)量的精準(zhǔn)制備；納米潤(rùn)滑——二聚體兼具高遷移性與單分散穩(wěn)定性，可用于納米器件的潤(rùn)滑；光電子器件——作為共價(jià)連接的富勒烯二聚單元，提升光捕獲效率。

圖4. DFT模擬C₆₀二聚體形成的勢(shì)壘。

相關(guān)研究以“Chemical Coordination Induced Fullerene Dimers on Hot Pt(111)”為題發(fā)表在Angewandte Chemie上。蘭州化物所劉釗副研究員為第一作者，并與瑞士巴塞爾大學(xué)Ernst Meyer教授為共同通訊作者。

該研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、瑞士國(guó)家自然科學(xué)基金及歐盟 ERC 項(xiàng)目的支持。