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制備新范式：基于質(zhì)子隧穿效應(yīng)的單層石墨烯高效剝離策略！JACS

2026-01-14 17:10:19　來(lái)源: 石墨烯聯(lián)盟

河北舉報(bào)

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全文概要

　　日本名古屋工業(yè)大學(xué)的Katsuyoshi Ikeda研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于質(zhì)子隧穿效應(yīng)的電化學(xué)新方法，可實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積（CVD）制備的單層石墨烯從銅（Cu）催化基底上快速剝離。該研究首先通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析和同位素效應(yīng)，直接證明了石墨烯在電化學(xué)電勢(shì)下的質(zhì)子滲透主要源于量子隧穿效應(yīng)，而非通過(guò)缺陷的經(jīng)典熱擴(kuò)散。利用這一機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種使用質(zhì)子導(dǎo)體Nafion作為支撐層的電化學(xué)剝離技術(shù)，僅需10秒即可完成石墨烯剝離，且銅基底可重復(fù)用于CVD生長(zhǎng)，克服了傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻法耗時(shí)數(shù)小時(shí)、消耗基底的限制。

本文要點(diǎn)

機(jī)理驗(yàn)證：通過(guò)對(duì)比裸Cu、石墨烯覆蓋Cu（Graphene|Cu）和高取向熱解石墨（HOPG）在酸性介質(zhì)中的析氫反應(yīng)（HER）曲線(xiàn)及Tafel斜率，結(jié)合H/D同位素效應(yīng)，證實(shí)石墨烯的質(zhì)子滲透主要由電勢(shì)輔助的量子隧穿主導(dǎo)，與缺陷密度極低的拉曼光譜結(jié)果一致。
快速剝離技術(shù)：構(gòu)建Nafion|Graphene|Cu電極，在負(fù)電位下，質(zhì)子通過(guò)石墨烯隧穿至石墨烯-Cu界面發(fā)生HER，產(chǎn)生的氫氣在界面處積聚形成高壓，從而在約10秒內(nèi)將石墨烯層從Cu基底整體剝離。剝離過(guò)程與石墨烯尺寸無(wú)關(guān)，適用于大面積石墨烯。
基底復(fù)用與質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)：該方法不消耗Cu基底，使其可重復(fù)用于CVD合成，甚至允許使用高質(zhì)量的單晶Cu(111)基底，有望提升工業(yè)化生產(chǎn)石墨烯的品質(zhì)。
理論與展望：DFT計(jì)算模擬了電子存在下質(zhì)子穿越石墨烯的勢(shì)壘降低過(guò)程，為實(shí)驗(yàn)提供了理論支持。該工作不僅展示了一種高效的石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)，也為在電化學(xué)中明確利用量子效應(yīng)提供了范例。

文獻(xiàn)詳情

　　Sekar Baranitharan, Tomonori Ohba, Katsuyoshi Ikeda*. Rapid Exfoliation of Monolayer Graphene from Catalytic Metal Substrate Using Proton Tunneling Effect, J. Am. Chem. Soc. (2026, ASAP) DOI: 10.1021/jacs.5c19015

　　來(lái)源：半導(dǎo)體技術(shù)情報(bào)

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