石墨烯可以用簡(jiǎn)單的前體來(lái)一步步生產(chǎn)得到嗎？答案是可能的。

    最近，來(lái)自德國(guó)、英國(guó)和美國(guó)的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種從簡(jiǎn)單的前體——乙烯，生產(chǎn)單層石墨烯的新方法。乙烯是最小的烯烴分子，它只含有兩個(gè)碳原子。大家對(duì)乙烯最熟悉的可能就是用于催熟水果了。

    具體這種方法是什么呢？通過(guò)將乙烯分階段加熱到比以前嘗試的溫度稍高于700攝氏度的溫度 - 研究人員在銠催化劑基底上制造了純的石墨烯層。逐步加熱和更高的溫度克服了以前從碳?xì)浠衔锴绑w直接生產(chǎn)石墨烯的遇到的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。這項(xiàng)成果被作為封面文章刊登在了5月4日的《Journal of Physical Chemistry C》上。該研究受到了美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室和美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的支持。

    逐步加熱和更高的溫度克服了之前從碳?xì)浠衔锴绑w直接生產(chǎn)石墨烯的努力中所遇到的挑戰(zhàn)。由于較低的成本和操作簡(jiǎn)便性，該技術(shù)可為石墨烯開(kāi)發(fā)出新的潛在應(yīng)用，該工作還為碳簇前體的自我演化提供了一種新的機(jī)制，正是由于碳簇前體的擴(kuò)散聚結(jié)導(dǎo)致石墨烯層的形成。

    ▲ 圖1  從乙烯到石墨烯的演化途徑示意圖

    “由于石墨烯是由碳元素構(gòu)成的，所以我們嘗試從最簡(jiǎn)單的碳化合物開(kāi)始，看看是否可以將它們組裝成石墨烯，”領(lǐng)導(dǎo)理論研究部分的佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)院Uzi Landman教授說(shuō)。“從含有碳的小分子，你最終得到宏觀的石墨烯片。”石墨烯目前主要的生產(chǎn)方法包括化學(xué)氣相沉積法、碳化硅外延生長(zhǎng)法、從石墨物理剝離石墨烯片等。早期關(guān)于從簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔锴绑w生產(chǎn)石墨烯的努力已經(jīng)被證明很大程度上不成功，制備出的是造成非晶態(tài)的煙灰而不是結(jié)構(gòu)化的石墨烯。

    ▲ 圖2  加熱脫氫過(guò)程的理論模擬和實(shí)際觀察圖像

    在理論的指導(dǎo)下，研究人員推斷，從乙烯到石墨烯的路徑將包含氫原子從乙烯分子析出、碳原子自組裝形成蜂窩狀的石墨烯結(jié)構(gòu)特征等一系列結(jié)構(gòu)的形成。為了探索從乙烯到石墨烯的熱誘導(dǎo)銠表面催化轉(zhuǎn)化的性質(zhì)，德國(guó)和蘇格蘭的實(shí)驗(yàn)組在超高真空下逐步提高了材料的溫度。他們使用掃描隧道顯微鏡（STM），熱編程解吸（TPD）和高分辨率電子能量損失（振動(dòng)）光譜（HREELS）來(lái)觀察和表征在該過(guò)程的每個(gè)步驟形成的結(jié)構(gòu)。

    ▲ 圖3  描述吸附的乙烯（左上）到石墨烯（左下）的演化的途徑的示意圖。 指出研究中鑒定的中間體序列及其各自的出現(xiàn)溫度

    研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)加熱后，吸附到銠催化劑上的乙烯通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)形成分段的一維多芳族烴（1D-PAH）。進(jìn)一步加熱導(dǎo)致維度交叉，從一維到二維結(jié)構(gòu)， PAH鏈的動(dòng)態(tài)重組過(guò)程隨著尺寸選擇性碳簇的一連串激活脫離而結(jié)束，這個(gè)過(guò)程遵循通過(guò)第一原理量子力學(xué)模擬揭示的機(jī)制。最后，這些動(dòng)態(tài)自發(fā)演化的碳簇前體以有限的速率擴(kuò)散聚結(jié)導(dǎo)致冷凝形成高純度的石墨烯。

    在形成石墨烯之前的最后階段，研究人員觀察到包含24個(gè)碳原子的近圓形盤狀的碳團(tuán)簇，其展開(kāi)形成石墨烯晶格。“溫度必須在很有限的范圍內(nèi)升高，以便在下一個(gè)加熱階段之前形成必要的結(jié)構(gòu)，”Landman解釋說(shuō)。“如果你在某一溫度下停止升溫，很可能會(huì)以焦化收尾。

    整個(gè)過(guò)程中一個(gè)很重要的部分是氫原子脫離，碳原子形成中間狀態(tài)，會(huì)有一些氫氣臨時(shí)存在于金屬催化劑表面上或其附近，這將有助于一連串化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致24-碳簇前體的分離。 Landman說(shuō)：整個(gè)過(guò)程中，氫原子一直都在從碳鏈中脫離。升溫將氫從金屬支撐的碳結(jié)構(gòu)中解脫出來(lái)，最終形成了石墨烯。”

    該方法最終得到的石墨烯是吸附在催化劑上的。金屬作為催化劑是有用的，但對(duì)于其他的應(yīng)用，必須開(kāi)發(fā)出去除金屬的方法。蘭德曼補(bǔ)充道：“這是石墨烯的新途徑，可能的技術(shù)應(yīng)用還有待探索。”