富勒烯（C₆₀）以其獨特的光電、催化和潤滑性能備受關注。然而，它們在強相互作用的金屬表面（如Pt、Ni）上難以形成有序的聚合物結構。因此，如何捕捉到其聚合過程中的關鍵中間體并實現(xiàn)可控轉化，一直是材料合成領域懸而未決的挑戰(zhàn)。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創(chuàng)新中心納米潤滑課題組聯(lián)合瑞士巴塞爾大學、奧地利薩爾茨堡大學，在制備石墨烯量子點研究方面取得了突破性進展。研究團隊巧妙地結合原位熱退火與非接觸原子力顯微技術（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（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)，當在800 K下進行退火時，位于C₆₀分子島邊緣、配位數(shù)較低（≤4）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，形成啞鈴狀的C₆₀二聚體。研究團隊利用nc-AFM的多重掃描技術，在亞分子級別直接觀測到了該二聚體的結構——由兩個直徑約為1.1 nm的C₆₀單元構成。理論計算（DFT）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。進一步將退火溫度升高至900 K，這些捕獲到的C₆₀二聚體結構會打開碳籠形成石墨烯量子點。這些量子點最終能夠通過擴展融合得到面積達數(shù)十平方納米、具有5×5R0^o超晶格結構的石墨烯片。

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向石墨烯轉化的關鍵動力學路徑，形成二聚體的能壘僅為1.08 eV，遠低于C₆₀分子直接在Pt表面分解所需的能壘。理論分析指出，Pt(111)表面具有中等強度的吸附作用以及獨特的表面陷附效應，是形成穩(wěn)定C₆₀二聚體的關鍵因素。相比之下，在Au或Cu等金屬表面則無法形成這種穩(wěn)定的二聚體。

圖3. nc-AFM表征C₆₀二聚體。

該研究應用前景包括石墨烯可控合成——通過調(diào)控退火溫度，實現(xiàn)石墨烯量子點尺寸與質(zhì)量的精準制備；納米潤滑——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滑；光電子器件——作為共價連接的富勒烯二聚單元，提升光捕獲效率。

圖4. DFT模擬C₆₀二聚體形成的勢壘。

相關研究以“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Ernst Meyer教授為共同通訊作者。

該研究得到了中國國家自然科學基金、瑞士國家自然科學基金及歐盟 ERC 項目的支持。