基底敏感的石墨烯氧化

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

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近日，南京航空航天大學機械結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(yōu)異電子性質(zhì)的單原子層晶體材料，由碳原子在層內(nèi)以雜化軌道聯(lián)結(jié)的六元環(huán)結(jié)構(gòu)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(wěn)定性，尤其是抗氧化性能長期以來備受關(guān)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?nèi)狈Σ煌咨鲜┭趸阅艿牟町愋缘恼J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(tài)計算發(fā)現(xiàn)，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?shù)牧己每寡趸?；而在鋁、銅基底上則容易被氧化；在鎳、鈷基底上甚至發(fā)生自發(fā)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(zhuǎn)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(huán)氧基。他們進一步研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧基在石墨烯表面的擴散也顯著依賴于基底。環(huán)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(shù)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(jié)果與理論預測吻合。他們的研究還發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(jù)，也為調(diào)控石墨烯氧化提供了新途徑，對石墨烯的應用和器件技術(shù)都有重要意義。

References

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10.3866/PKU.WHXB201603081