石墨烯可以用簡單的前體來一步步生產得到嗎？答案是可能的。

    最近，來自德國、英國和美國的國際科學家團隊開發了一種從簡單的前體——乙烯，生產單層石墨烯的新方法。乙烯是最小的烯烴分子，它只含有兩個碳原子。大家對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氫化合物前體直接生產石墨烯的遇到的問題和挑戰。這項成果被作為封面文章刊登在了5月4日的《Journal of Physical Chemistry C》上。該研究受到了美國空軍科學研究辦公室和美國能源部基礎能源科學辦公室的支持。

    逐步加熱和更高的溫度克服了之前從碳氫化合物前體直接生產石墨烯的努力中所遇到的挑戰。由于較低的成本和操作簡便性，該技術可為石墨烯開發出新的潛在應用，該工作還為碳簇前體的自我演化提供了一種新的機制，正是由于碳簇前體的擴散聚結導致石墨烯層的形成。

    ▲ 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成的，所以我們嘗試從最簡單的碳化合物開始，看看是否可以將它們組裝成石墨烯，”領導理論研究部分的佐治亞理工學院物理學院Uzi Landman教授說。“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方法包括化學氣相沉積法、碳化硅外延生長法、從石墨物理剝離石墨烯片等。早期關于從簡單的碳氫化合物前體生產石墨烯的努力已經被證明很大程度上不成功，制備出的是造成非晶態的煙灰而不是結構化的石墨烯。

    ▲ 圖2  加熱脫氫過程的理論模擬和實際觀察圖像

    在理論的指導下，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構特征等一系列結構的形成。為了探索從乙烯到石墨烯的熱誘導銠表面催化轉化的性質，德國和蘇格蘭的實驗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）光譜（HREELS）來觀察和表征在該過程的每個步驟形成的結構。

    ▲ 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溫度

    研究發現，經過加熱后，吸附到銠催化劑上的乙烯通過偶聯反應形成分段的一維多芳族烴（1D-PAH）。進一步加熱導致維度交叉，從一維到二維結構， PAH鏈的動態重組過程隨著尺寸選擇性碳簇的一連串激活脫離而結束，這個過程遵循通過第一原理量子力學模擬揭示的機制。最后，這些動態自發演化的碳簇前體以有限的速率擴散聚結導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個碳原子的近圓形盤狀的碳團簇，其展開形成石墨烯晶格。“溫度必須在很有限的范圍內升高，以便在下一個加熱階段之前形成必要的結構，”Landman解釋說。“如果你在某一溫度下停止升溫，很可能會以焦化收尾。

    整個過程中一個很重要的部分是氫原子脫離，碳原子形成中間狀態，會有一些氫氣臨時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鍵斷裂，導致24-碳簇前體的分離。 Landman說：整個過程中，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構中解脫出來，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，但對于其他的應用，必須開發出去除金屬的方法。蘭德曼補充道：“這是石墨烯的新途徑，可能的技術應用還有待探索。”