引言

Hiroshi Sakaguchi 團(tuán)隊在《Nature Communications》（2024 年，影響因子 17.694，自然科學(xué)領(lǐng)域 TOP 期刊）發(fā)表研究，針對傳統(tǒng)超高真空（UHV）高溫表面合成石墨烯納米帶（GNR）存在的官能團(tuán)易分解、僅能單層生長等瓶頸，開發(fā)出電化學(xué)表面合成創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)強(qiáng)給電子 GNR 的低溫多層制備，為 GNR 在催化、電子器件等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

摘要 Abstract

傳統(tǒng)超高真空（UHV）高溫表面合成石墨烯納米帶（GNR）面臨官能團(tuán)熱分解（300-500℃）、僅能單層生長的局限，制約其規(guī)模化應(yīng)用。本研究開發(fā)電化學(xué)表面合成技術(shù)，利用液 - 固界面雙電層（EDL）中的氧化還原反應(yīng)，以不對稱前驅(qū)體 2 - 丁氧基萘為原料，在 < 80℃低溫下實現(xiàn)異手性雙陽離子聚合與氧化脫氫，成功制備出含丁氧基取代基的扶手椅型 5-AGNR。該技術(shù)突破多層生長限制，所制備的 GNR 具有給電子性能（氧化電位低于 TTF），其硅刻蝕催化速率（2.0μm?h?1）優(yōu)于金等貴金屬，且展現(xiàn)優(yōu)異光電導(dǎo)性能（ON/OFF 比 1.68）。該方案為功能化 GNR 的規(guī)模化制備與多場景應(yīng)用提供了新路徑。

實驗方法

電化學(xué)表面合成

在手套箱中制備樣品溶液：將 5 毫摩爾（mM）2 - 丁氧基萘與 100 毫摩爾（mM）四丁基六氟磷酸銨溶于鄰二氯苯（o-DCB）中。工作電極選用尺寸為 0.5×1.0 平方厘米的金（111）、碘修飾金（111）及氧化銦錫（ITO）電極；對電極與參比電極分別采用鉑絲和銀絲。將樣品池置于加熱板上，加熱至 80℃并持續(xù)攪拌，通過配備 NF 公司 Wave Factory WF1974 型函數(shù)發(fā)生器的堀場電化學(xué)系統(tǒng)（Huso Electro Chemical System）HECS 990 C 型電位儀施加電壓脈沖。

電吸收測量

在電吸收電池中，氧化銦錫（ITO）電極間夾有一片 250 微米厚的塑料墊片（補(bǔ)充圖 12）。為開展電吸收光譜測試，向電池中注入 50 微升樣品溶液，采用 Lambda Vision LVmicro SUV-100S-NIR型光學(xué)吸收光譜儀完成測試（圖 3a、c，補(bǔ)充圖 13、14）。測定電位依賴性電吸收時，施加 0.5 伏至 3 伏的不同電壓，每個電壓條件維持 15 秒（補(bǔ)充圖 13）；測定電吸收時間曲線時，施加 2.5 伏電壓持續(xù) 25 秒（補(bǔ)充圖 14），從測試開始記錄至 55 秒。

結(jié)論

成功開發(fā)電化學(xué)表面合成技術(shù)，通過雙電層介導(dǎo)的異手性雙陽離子聚合，實現(xiàn)了強(qiáng)給電子 GNR 的低溫（<80℃）多層制備，解決了傳統(tǒng) UHV 高溫合成的官能團(tuán)分解與單層生長瓶頸。所制備的 GNR 在硅刻蝕催化（速率優(yōu)于貴金屬金）與光電導(dǎo)領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異性能，為功能化 GNR 的規(guī)模化生產(chǎn)及在半導(dǎo)體光刻、光電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了創(chuàng)新方案，有望推動 GNR 材料的實用化進(jìn)程。