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性能及其廣泛應用,碳材料一直以來都是學術界的研究熱點。卡拜(即線型碳),是碳的另一種新型同素異形體,是由單個碳原子形成的一維純碳鏈結構,被理論預測具有非常優(yōu)異的物理化學性能,如室溫超導性、可能是最硬的已知材料等。
同濟大學材料科學與工程學院的許維教授課題組通過表面原位化學合成方法,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]結構單元([-Cu-C-C-]n),即金屬化卡拜。通過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)計算,在原子尺度實空間觀察銅基金屬卡拜的結構及形成過程。同時,在合肥光源催化與表面科學實驗站(BL11U)開展了原位實驗,結合高分辨同步輻射光電子能譜(SRPES)測試了在單晶銅表面制備出的一維金屬化碳材料的化學組成和電子結構,為揭示了銅基金屬卡拜的結構及形成機理提供了有力的證據(jù)。相關成果“Bottom-Up Synthesis of Metalated Carbyne”發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. (2016, 138, 1106?1109, DOI: 10.1021/jacs.5b10725)?!?/span>

銅基金屬卡拜原位生長示意圖,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實驗站是一個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驗站,光子能量覆蓋范圍20eV~600eV,能量分辨率可達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,可以進行樣品原位制備和處理,為開展納米材料以及催化體系的電子結構和催化反應機理研究等提供一個強大的研究平臺。
(合肥光源提供)