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只需700℃,乙烯可一步变身石墨烯!
2017/5/9 16:07:31

石墨烯可以用简单的前体来一步步生产得到吗?答案是可能的。

最近,来自德国、英国和美国的国际科学家团队开发了一种从简单的前体——乙烯,生产单层石墨烯的新方法。乙烯是最小的烯烃分子,它只含有两个碳原子。大家对乙烯最熟悉的可能就是用于催熟水果了。

具体这种方法是什么呢?通过将乙烯分阶段加热到比以前尝试的温度稍高于700摄氏度的温度 - 研究人员在铑催化剂基底上制造了纯的石墨烯层。逐步加热和更高的温度克服了以前从碳氢化合物前体直接生产石墨烯的遇到的问题和挑战。这项成果被作为封面文章刊登在了5月4日的《Journal of Physical Chemistry C》上。该研究受到了美国空军科学研究办公室和美国能源部基础能源科学办公室的支持。

逐步加热和更高的温度克服了之前从碳氢化合物前体直接生产石墨烯的努力中所遇到的挑战。由于较低的成本和操作简便性,该技术可为石墨烯开发出新的潜在应用,该工作还为碳簇前体的自我演化提供了一种新的机制,正是由于碳簇前体的扩散聚结导致石墨烯层的形成。 

▲ 图1  从乙烯到石墨烯的演化途径示意图

“由于石墨烯是由碳元素构成的,所以我们尝试从最简单的碳化合物开始,看看是否可以将它们组装成石墨烯,”领导理论研究部分的佐治亚理工学院物理学院Uzi Landman教授说。“从含有碳的小分子,你最终得到宏观的石墨烯片。”石墨烯目前主要的生产方法包括化学气相沉积法、碳化硅外延生长法、从石墨物理剥离石墨烯片等。早期关于从简单的碳氢化合物前体生产石墨烯的努力已经被证明很大程度上不成功,制备出的是造成非晶态的烟灰而不是结构化的石墨烯。 

▲ 图2  加热脱氢过程的理论模拟和实际观察图像

在理论的指导下,研究人员推断,从乙烯到石墨烯的路径将包含氢原子从乙烯分子析出、碳原子自组装形成蜂窝状的石墨烯结构特征等一系列结构的形成。为了探索从乙烯到石墨烯的热诱导铑表面催化转化的性质,德国和苏格兰的实验组在超高真空下逐步提高了材料的温度。他们使用扫描隧道显微镜(STM),热编程解吸(TPD)和高分辨率电子能量损失(振动)光谱(HREELS)来观察和表征在该过程的每个步骤形成的结构。


▲ 图3  描述吸附的乙烯(左上)到石墨烯(左下)的演化的途径的示意图。 指出研究中鉴定的中间体序列及其各自的出现温度

研究发现,经过加热后,吸附到铑催化剂上的乙烯通过偶联反应形成分段的一维多芳族烃(1D-PAH)。进一步加热导致维度交叉,从一维到二维结构, PAH链的动态重组过程随着尺寸选择性碳簇的一连串激活脱离而结束,这个过程遵循通过第一原理量子力学模拟揭示的机制。最后,这些动态自发演化的碳簇前体以有限的速率扩散聚结导致冷凝形成高纯度的石墨烯。

在形成石墨烯之前的最后阶段,研究人员观察到包含24个碳原子的近圆形盘状的碳团簇,其展开形成石墨烯晶格。“温度必须在很有限的范围内升高,以便在下一个加热阶段之前形成必要的结构,”Landman解释说。“如果你在某一温度下停止升温,很可能会以焦化收尾。

整个过程中一个很重要的部分是氢原子脱离,碳原子形成中间状态,会有一些氢气临时存在于金属催化剂表面上或其附近,这将有助于一连串化学键断裂,导致24-碳簇前体的分离。 Landman说:整个过程中,氢原子一直都在从碳链中脱离。升温将氢从金属支撑的碳结构中解脱出来,最终形成了石墨烯。”

该方法最终得到的石墨烯是吸附在催化剂上的。金属作为催化剂是有用的,但对于其他的应用,必须开发出去除金属的方法。兰德曼补充道:“这是石墨烯的新途径,可能的技术应用还有待探索。”

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