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可控轉化，一直是材料合成領域懸而未決的挑戰。
 

　　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新中心納米潤滑課題組聯合瑞士巴塞爾大學、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。
 

　　研究發現，當在800 K下進行退火時，位于C60分子島邊緣、配位數較低(≤4)的分子會脫離分子島。這些低配位分子之間隨后發生[2+2]環加成反應，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處于低配位狀態的單個C60分子更為穩定。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十平方納米、具有5×5R0°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——通過調控退火溫度，實現石墨烯量子點尺寸與質量的精準制備；納米潤滑——二聚體兼具高遷移性與單分散穩定性，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。