富勒烯(C60)以其独特的光电、催化和润滑性能备受关注。然而，它们在强相互作用的金属表面(如Pt、Ni)上难以形成有序的聚合物结构。因此，如何捕捉到其聚合过程中的关键中间体并实现可控转化，一直是材料合成领域悬而未决的挑战。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所兰州润滑材料与技术创新中心纳米润滑课题组联合瑞士巴塞尔大学、奥地利萨尔茨堡大学，在制备石墨烯量子点研究方面取得了突破性进展。研究团队巧妙地结合原位热退火与非接触原子力显微技术(nc-AFM)，首次在金属Pt(111)表面成功捕获到稳定的C60二聚体，清晰地揭示了这种二聚体向石墨烯量子点(GQDs)乃至更大尺寸石墨烯片的完整演化路径。
图1. Pt(111)上C60岛的热演化示意图。
研究发现，当在800 K下进行退火时，位于C60分子岛边缘、配位数较低(≤4)的分子会脱离分子岛。这些低配位分子之间随后发生[2+2]环加成反应，形成哑铃状的C60二聚体。研究团队利用nc-AFM的多重扫描技术，在亚分子级别直接观测到了该二聚体的结构——由两个直径约为1.1 nm的C60单元构成。理论计算(DFT)证实，Pt(111)表面独特的能量平衡使得形成的二聚体比分子岛内处于低配位状态的单个C60分子更为稳定。进一步将退火温度升高至900 K，这些捕获到的C60二聚体结构会打开碳笼形成石墨烯量子点。这些量子点最终能够通过扩展融合得到面积达数十平方纳米、具有5×5R0°超晶格结构的石墨烯片。
图2. nc-AFM表征Pt(111)上C60岛的热演化。
该研究揭示了金属Pt表面C60向石墨烯转化的关键动力学路径，形成二聚体的能垒仅为1.08 eV，远低于C60分子直接在Pt表面分解所需的能垒。理论分析指出，Pt(111)表面具有中等强度的吸附作用以及独特的表面陷附效应，是形成稳定C60二聚体的关键因素。相比之下，在Au或Cu等金属表面则无法形成这种稳定的二聚体。
图3. nc-AFM表征C60二聚体。
该研究应用前景包括石墨烯可控合成——通过调控退火温度，实现石墨烯量子点尺寸与质量的精准制备；纳米润滑——二聚体兼具高迁移性与单分散稳定性，可用于纳米器件的润滑；光电子器件——作为共价连接的富勒烯二聚单元，提升光捕获效率。
图4. DFT模拟C60二聚体形成的势垒。
相关研究以“Chemical Coordination Induced Fullerene Dimers on Hot Pt(111)”为题发表在Angewandte Chemie上。兰州化物所刘钊副研究员为第一作者，并与瑞士巴塞尔大学Ernst Meyer教授为共同通讯作者。
该研究得到了中国国家自然科学基金、瑞士国家自然科学基金及欧盟 ERC 项目的支持。
