乙烯经过一步步的高温工艺可生产出为石墨烯！

摘要：一个国际科学家团队开发了一种从简单体中生产单层石墨烯的新方法：这种简单体是只含有两个碳原子的最小烯烃分子——乙烯。​

图中描述的是吸附的乙烯(左上)演变为石墨烯(左下)的过程。研究过程中中间体的响应形态随温度变化而不一样，图片中按照顺序将这些表现出来。(提供者：F. Esch，R. Schaub，U. Landman)

一个国际科学家团队开发了一种从简单体中生产单层石墨烯的新方法：这个简单体就是只含有两个碳原子的烯烃——乙烯。

研究人员通过将乙烯分阶段加热至比以前实验的温度更高(即略高于700摄氏度的温度)，并在铑作为催化剂条件下生产出了单纯石墨烯层。这种采用逐步加热达到更高温度的生产方法，克服了早期从碳氢化合物前体直接生产石墨烯的方法中所遇到的挑战。

该技术成本低、操作简单，因此可为石墨烯开发具有物理和电子性能的潜在应用。该工作还为碳簇前体的自我演化提供了一种新的机制，碳簇前体的扩散聚结能够产生石墨烯层。

佐治亚理工学院、德国慕尼黑技术大学和苏格兰圣安德鲁斯大学的科学家在《物理化学杂志》5月4日刊登的封面文章中发表了这篇研究报告。在美国，这项研究收到了美国空军科学研究办公室和美国能源部基础能源科学办公室的共同支持。

Uzi Landman教授，他也是由F.E. Callaway 授予佐治亚理工学院物理学院理论研究的主席，解释说道：“由于石墨烯是由碳制成的，我们决定探究一下最简单的碳分子是否可以组装成石墨烯。从含有碳的小分子中最终得到宏观的石墨烯片。”

现在有各种各样生产石墨烯的方法，包括化学气相沉积法、碳化硅蒸发法以及从石墨中简单剥离石墨烯片。早期也尝试过从简单碳氢化合物前体中生产石墨烯，但是都没有成功，只得到了无序的烟灰而不是结构化的石墨烯。

研究人员在理论方法的指导下推断，乙烯变成石墨烯的过程中涉及两个结构变化，首先是氢原子脱离乙烯分子，然后碳原子自发组成表征石墨烯的蜂窝结构。为了研究从乙烯到石墨烯转化过程中催化剂铑表面催化转化的性质，德国和苏格兰的实验组在超高真空下逐步提高了材料的温度。他们使用扫描隧道显微镜(STM)、热定向解吸(TPD)和高分辨率电子能量损失(振动)光谱(HREELS)观察和表征在该过程的每个步骤中产生的结构。

加热后吸附到铑催化剂上的乙烯通过偶联反应形成分段的一维多芳族烃(1D-PAH)。进一步加热形成维度交叉 ——一维至二维结构——并且在PAH链上的动力学重组过程随着尺寸选择性碳簇的活化分离结束，并且遵循第一原理量子力学模拟揭示的机制。最后，这些动态自发演化的簇前体，它们速率受限制的扩散聚结能够产生冷凝成高纯度的石墨烯。

在形成石墨烯之前的最后阶段，研究人员观察到了包含24个碳原子的近圆形盘状团簇，其扩散形成石墨烯晶格。“温度必须在允许的范围内升高，才能在下一个加热阶段之前形成必要的结构，”Landman解释说，“如果你在某些温度下停止，很可能会直接焦化。”

通过脱氢，将碳原子释放形成过渡结构是实验的重要过程，但是一些氢原子临时存在于金属催化剂表面上或其附近，会增加随后阶段中断裂的可能性，也会导致24碳簇前体的分离。 Landman说：“一直以来，在这个实验步骤中氢原子都会脱离。温度上升基本上使氢‘沸腾’并从金属支撑的碳结构中脱落，最终产生石墨烯。”

得到的石墨烯结构吸附在催化剂上。附于金属上可能是有用的，但如果附在其他物质上，就必须研究除去催化剂的方法。Landman补充道：“这是石墨烯的新途径，可能的技术应用还有待探索。”