隨著富勒烯、碳納米管和石墨烯等新興碳材料的陸續(xù)發(fā)現(xiàn),以及它們隨后所展現(xiàn)的許多新穎奇特的物理化學(xué)性能及其廣泛應(yīng)用,碳材料一直以來(lái)都是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)??ò荩淳€型碳),是碳的另一種新型同素異形體,是由單個(gè)碳原子形成的一維純碳鏈結(jié)構(gòu),被理論預(yù)測(cè)具有非常優(yōu)異的物理化學(xué)性能,如室溫超導(dǎo)性、可能是最硬的已知材料等。
同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的許維教授課題組通過(guò)表面原位化學(xué)合成方法,在超高真空環(huán)境下將乙炔分子沉積到金屬單晶銅(110)表面,首次制備出一種一維金屬化碳材料,在單原子碳鏈內(nèi)均勻混入銅原子形成[銅-碳-碳]結(jié)構(gòu)單元([-Cu-C-C-]n),即金屬化卡拜。通過(guò)超高真空掃描隧道顯微鏡(UHV-STM)、原子力顯微鏡(nc-AFM)高分辨成像手段以及密度泛函理論(DFT)計(jì)算,在原子尺度實(shí)空間觀察銅基金屬卡拜的結(jié)構(gòu)及形成過(guò)程。同時(shí),在合肥光源催化與表面科學(xué)實(shí)驗(yàn)站(BL11U)開(kāi)展了原位實(shí)驗(yàn),結(jié)合高分辨同步輻射光電子能譜(SRPES)測(cè)試了在單晶銅表面制備出的一維金屬化碳材料的化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu),為揭示了銅基金屬卡拜的結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理提供了有力的證據(jù)。相關(guān)成果“Bottom-Up Synthesis of Metalated Carbyne”發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. (2016, 138, 1106?1109, DOI: 10.1021/jacs.5b10725)。

銅基金屬卡拜原位生長(zhǎng)示意圖,高分辨STM圖像以及 C 1s的SRPES譜圖
合肥光源催化與表面科學(xué)實(shí)驗(yàn)站是一個(gè)具有特色的位于真空紫外兼部分軟X 射線波段的高分辨同步輻射光電子能譜實(shí)驗(yàn)站,光子能量覆蓋范圍20eV~600eV,能量分辨率可達(dá)10000,光通量>5×1010。該站配備了VG Scienta R4000電子能量分析器、單色X 射線源以及超高真空樣品制備室,可以進(jìn)行樣品原位制備和處理,為開(kāi)展納米材料以及催化體系的電子結(jié)構(gòu)和催化反應(yīng)機(jī)理研究等提供一個(gè)強(qiáng)大的研究平臺(tái)。
(合肥光源提供)