石墨烯模板法生长金属纳米团簇机制

AMI金属纳米团簇在催化和信息存储等方面有着广泛的应用前景,吸引了越来越多研究人员的关注。而纳米团簇的催化活性、选择性等严重依赖于其尺寸、形状及成分,因而如何有效控制纳米团簇的这些特性就变得非常重要。金属表面生长的石墨烯与金属衬底之间由于存在晶格失配而形成有序的周期性摩尔斑图,在摩尔斑图的每一个周期内,不同区域的石墨烯与金属衬底之间相对位置的差异导致了各区域碳原子的电子结构存在差异,因而在摩尔斑图的不同区域的吸附行为也不尽相同。利用这一特性,吸附物可以只在特定区域生长,从而形成在石墨烯/金属摩尔斑图(G/metal)上的尺寸和形状可控的金属纳米团簇。例如,已经有报道表明可以在G/Ir(111)模板上生长Ir、Pt、W、Re和Rh等纳米团簇,在G/Ru(0001)模板上生长的Pt、Ru和Pd纳米团簇,以及在G/Rh(111)表面生长Ni纳米团簇等。然而,实验显示,不同金属形成了大小及形状各异的纳米团簇。对于这种奇特的生长行为,现有的理论主要认为其受金属原子与衬底和金属-金属原子之间的相互作用的控制。然而,对于金属原子和摩尔斑图对金属原子选择性吸附行为以及生长模式的影响仍然有待解释。

近日,中国科学院物理研究所的杜世萱研究员及其课题组针对这一问题做了系统的研究。成功解释了不同金属团簇形状及大小各异性的原因。相关结果发表在2014年4月出版的Advanced Materials Interfaces上,文中图片被选为该期期刊的封面

该课题组利用第一性原理的计算方法,并结合相关扫描隧道显微镜(STM)的实验结果,提出了在G/Ru(0001)模板上单分散纳米团簇的生长机理,即衬底的sp3杂化强度和吸附原子的d轨道占据数控制着原子和衬底间的相互作用,从而控制了金属团簇的选择性生长。只有具有未满d轨道的过渡金属才能形成单分散的纳米团簇,同时,团簇主要吸附在sp3杂化强度较强的区域。他们还以Pt为例,提出了Pt纳米团簇的层状生长模式。他们提出的这一生长模式与实验观测符合的非常好。同时,这一发现对于生长单分散纳米团簇时选择合适的金属材料和G/metal模板提供了一套切实可行的方法。

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