富勒烯（C60）因獨特的光電、催化和潤滑性能而備受關注。但是，C60在強相互作用的金屬表面難以形成有序的聚合物結構。因此，如何捕捉到C60聚合過程中的關鍵中間體并實現可控轉化是材料合成領域的挑戰。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所科研團隊聯合瑞士巴塞爾大學、奧地利薩爾茨堡大學的科研人員，在制備石墨烯量子點研究方面取得進展。該團隊結合原位熱退火與非接觸原子力顯微技術，在金屬Pt(111)表面捕獲到穩定的C60二聚體，并揭示了這種二聚體向石墨烯量子點乃至更大尺寸石墨烯片的完整演化路徑。
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。研究利用nc-AFM多重掃描技術，在亞分子級直接觀測到該二聚體的結構——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，研究將退火溫度升高至900 K時發現，捕獲到的C60二聚體結構打開碳籠形成石墨烯量子點。這些量子點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。
研究顯示，C60二聚體的能壘僅為1.08 eV，低于C60分子直接在Pt表面分解所需的能壘。理論分析提出，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。
相關研究成果發表在《德國應用化學》上。研究工作得到國家自然科學基金、歐洲研究委員會相關項目、瑞士國家自然科學基金的支持。
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