基底敏感的石墨烯氧化

楊金龍(中國科學技術大學化學與材料科學學院，合肥微尺度物質科學國家實驗室，合肥230026)

基底敏感的石墨烯氧化

楊金龍
(中國科學技術大學化學與材料科學學院，合肥微尺度物質科學國家實驗室，合肥230026)

[Highlight]

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近日，南京航空航天大學機械結構力學與控制國家重點實驗室的郭萬林研究團隊通過理論計算和實驗發現石墨烯在不同基底上的抗氧化性能迥然不同。

石墨烯是具有優異電子性質的單原子層晶體材料，由碳原子在層內以雜化軌道聯結的六元環結構組成，比表面積可高達2630 m2?g－1。由于單層石墨烯的每個碳原子都暴露于表面，其化學穩定性，尤其是抗氧化性能長期以來備受關注1－4。氧化往往是石墨烯化學分解和器件性能衰退的重要原因5,6。在器件中，石墨烯需要與金屬電極、絕緣層等基底接觸，其在基底上的抗氧化性能就變得十分重要1,5,6，但我們缺乏對不同基底上石墨烯氧化性能的差異性的認識。

南京航空航天大學郭萬林研究團隊基于第一性的過渡態計算發現，石墨烯在二氧化硅、六方氮化硼等絕緣基底，以及金、銀等惰性金屬基底上具有和孤立石墨烯相當的良好抗氧化性；而在鋁、銅基底上則容易被氧化；在鎳、鈷基底上甚至發生自發氧化。這種基底敏感的氧化性能主要源于不同基底對石墨烯中電子轉移的影響。石墨烯與基底的化學作用越強，石墨烯的電子共軛性越弱，更易與氧分子形成化學鍵。化學吸附的氧分子在石墨烯上很容易解離成環氧基。他們進一步研究發現環氧基在石墨烯表面的擴散也顯著依賴于基底。環氧基在銅支撐的石墨烯上的遷移率最高，在室溫下可比孤立石墨烯上的遷移率高13個數量級。他們通過實驗證實了銅基底上的石墨烯的氧化性能遠低于二氧化硅基底上的，結果與理論預測吻合。他們的研究還發現，雙層石墨烯表面的氧化性能幾乎不受基底的影響。該工作最近發表于The Journal of Physical Chemistry Letters7，為設計高抗氧化性石墨烯器件提供了依據，也為調控石墨烯氧化提供了新途徑，對石墨烯的應用和器件技術都有重要意義。

References

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(5)Schriver,M.;Regan,W.;Gannett,W.J.;Zaniewski,A.M.; Crommie,M.F.;Zettl,A.ACS Nano 2013,7,5763. doi:10.1021/nn4014356

(6)Zhou,F.;Li,Z.;Shenoy,G.J.;Li,L.;Liu,H.ACS Nano 2013, 7,6939.doi:10.1021/nn402150t

(7)Zhang,Z.;Yin,J.;Liu,X.;Li,J.;Zhang,J.;Guo,W.J.Phys. Chem.Lett.2016,7,867.doi:10.1021/acs.jpclett.6b00062

10.3866/PKU.WHXB201603081