引言

Hiroshi Sakaguchi 團隊在《Nature Communications》（2024 年，影響因子 17.694，自然科學領域 TOP 期刊）發表研究，針對傳統超高真空（UHV）高溫表面合成石墨烯納米帶（GNR）存在的官能團易分解、僅能單層生長等瓶頸，開發出電化學表面合成創新技術，實現強給電子 GNR 的低溫多層制備，為 GNR 在催化、電子器件等領域的規模化應用奠定基礎。

摘要 Abstract

傳統超高真空（UHV）高溫表面合成石墨烯納米帶（GNR）面臨官能團熱分解（300-500℃）、僅能單層生長的局限，制約其規模化應用。本研究開發電化學表面合成技術，利用液 - 固界面雙電層（EDL）中的氧化還原反應，以不對稱前驅體 2 - 丁氧基萘為原料，在 < 80℃低溫下實現異手性雙陽離子聚合與氧化脫氫，成功制備出含丁氧基取代基的扶手椅型 5-AGNR。該技術突破多層生長限制，所制備的 GNR 具有給電子性能（氧化電位低于 TTF），其硅刻蝕催化速率（2.0μm?h?1）優于金等貴金屬，且展現優異光電導性能（ON/OFF 比 1.68）。該方案為功能化 GNR 的規模化制備與多場景應用提供了新路徑。

實驗方法

電化學表面合成

在手套箱中制備樣品溶液：將 5 毫摩爾（mM）2 - 丁氧基萘與 100 毫摩爾（mM）四丁基六氟磷酸銨溶于鄰二氯苯（o-DCB）中。工作電極選用尺寸為 0.5×1.0 平方厘米的金（111）、碘修飾金（111）及氧化銦錫（ITO）電極；對電極與參比電極分別采用鉑絲和銀絲。將樣品池置于加熱板上，加熱至 80℃并持續攪拌，通過配備 NF 公司 Wave Factory WF1974 型函數發生器的堀場電化學系統（Huso Electro Chemical System）HECS 990 C 型電位儀施加電壓脈沖。

電吸收測量

在電吸收電池中，氧化銦錫（ITO）電極間夾有一片 250 微米厚的塑料墊片（補充圖 12）。為開展電吸收光譜測試，向電池中注入 50 微升樣品溶液，采用 Lambda Vision LVmicro SUV-100S-NIR型光學吸收光譜儀完成測試（圖 3a、c，補充圖 13、14）。測定電位依賴性電吸收時，施加 0.5 伏至 3 伏的不同電壓，每個電壓條件維持 15 秒（補充圖 13）；測定電吸收時間曲線時，施加 2.5 伏電壓持續 25 秒（補充圖 14），從測試開始記錄至 55 秒。

結論

成功開發電化學表面合成技術，通過雙電層介導的異手性雙陽離子聚合，實現了強給電子 GNR 的低溫（<80℃）多層制備，解決了傳統 UHV 高溫合成的官能團分解與單層生長瓶頸。所制備的 GNR 在硅刻蝕催化（速率優于貴金屬金）與光電導領域表現出優異性能，為功能化 GNR 的規模化生產及在半導體光刻、光電子器件等領域的應用提供了創新方案，有望推動 GNR 材料的實用化進程。