近日，中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室理論催化研究組（507組）與英國圣安德魯斯大學(xué)研究人員合作，在碳與過渡金屬相互作用研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近一期的《納米快報(bào)》上（Nano Letter, 2011, 11 (2), pp 424–430，DOI: 10.1021/nl103053t）。深入研究碳與過渡金屬催化劑的相互作用，對于理解合成氣轉(zhuǎn)化、烷烴活化、以及水煤氣變化等催化反應(yīng)過程中的積碳產(chǎn)生，抑制催化劑失活，提高催化劑的穩(wěn)定性等具有重要的意義。同時(shí)，此研究對于理解石墨烯在金屬表面的生長機(jī)理極具參考價(jià)值。石墨烯作為一種新型的二維碳材料，在高性能納米電子器件、復(fù)合材料、場發(fā)射、氣體傳感器及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景。
李微雪研究員及其博士生馬秀芳同英國圣安德魯斯大學(xué)R. Schaub課題組利用密度泛函理論計(jì)算和隧道掃描電鏡實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過乙烯在Rh(111)表面上吸附、程序升溫裂解深入研究了Rh(111)表面上石墨烯成核過程和生長機(jī)理。理論計(jì)算結(jié)果表明，成核難易程度及其前驅(qū)體大小，由碳碳成鍵、碳和金屬成鍵的競爭相對強(qiáng)弱來決定。在此基礎(chǔ)上，通過理論和實(shí)驗(yàn)的合作，精確確定出在Rh(111)表面上，石墨烯成核的前驅(qū)體為由七個(gè)六圓環(huán)、共計(jì)24個(gè)碳原子的團(tuán)簇組成；成核前驅(qū)體形成后，碳團(tuán)簇進(jìn)一步通過SmoluchowskiRipening機(jī)理生長為完整的石墨烯。由于碳與金屬相互作用的強(qiáng)弱程度會(huì)隨著金屬催化劑以及表面取向的不同而不同，該研究結(jié)果意味著可以通過改變催化劑的組分及結(jié)構(gòu)，來影響催化劑表面積碳成核的難易程度，控制前驅(qū)體尺寸的大小，從而有助于提高催化劑的抗積碳、抑制失活的能力。該研究結(jié)果對如何進(jìn)一步提高大規(guī)模制備高質(zhì)量的石墨烯也具有一定的啟發(fā)價(jià)值。
