從敵人到朋友：石墨烯催化碳碳鍵形成！

石墨烯單層膜可以在超高真空下外延生長在許多單晶金屬表面。一方面這些單分子層保護活性高的金屬表面不受污染，但另一方面，石墨化碳層的堆積阻礙了過渡金屬催化劑的活性。石墨的惰性和活性位點的物理堵塞阻止了金屬表面發生化學反應。費爾南多?馬丁(Fernando Martin)、埃米利奧?佩雷斯(Emilio Perez)和Amadeo Vazquez de Parga (IMDEA Nanociencia和馬德里自治大學(Universidad Autonoma de Madrid))領導的研究人員證明，金屬表面的納米結構石墨烯單層膜能夠促進一種化學反應，這種化學反應在非催化條件下不太可能發生。

博科園-科學科普：釕晶體Ru(0001)被外延生長的連續石墨烯層覆蓋，由於晶格參數的不同，石墨烯層出現了新的超周期，並調節了其電子性能。利用這種調製將表面與聚異丙基(-CH2CN)功能化，共價鍵合到雲霧單元單元中六邊形緊密填充區中心，並摻雜TCNQ(7,7,8,8-四氯化碳-對醌甲烷)。TCNQ是一種用於p-dope石墨烯薄膜的電子受體分子。當沉積在石墨烯表面時，這種分子被吸收在兩個波紋之間的橋上。在這裡值得注意的是表面和石墨烯層在催化TCNQ和-CH2CN反應中的重要作用。TCNQ與CH3CN(原始反應物處於氣相)的反應加上氫原子的損失是非常不可能的，因為存在高能量位壘(約5ev)。石墨烯層的存在將這種能量壁壘降低了5倍，從而有利於產品的形成。

TCNQ-CH2CN分子在波紋石墨烯層上的圖像(左)和計算幾何圖形的表示(右)。圖片：Adapted from Navarro et al

納米結構石墨烯以三種方式促進反應：首先它保持-CH2CN的位置;第二，它能有效地從釕轉移電荷;第三，它通過釕阻止TCNQ的吸收，使分子在表面擴散。在原始釕上進行類似的清潔反應是不可能的，因為釕的反應特性導致CH3CN的吸收，並阻礙一旦吸附在表面的TCNQ分子的流動性，結果證實了石墨烯在該反應中的催化特性。埃米利奧證實：用其他形式的碳很難獲得這樣的選擇性。

此外利用掃描隧道顯微鏡(STM)將TCNQ分子注入電子，這種分子的單獨操作導致C-C鍵斷裂，從而導致初始反應物ch2cn -石墨烯和TCNQ的恢復。該過程在單分子水平上是可逆和可重複的。由於研究人員已經觀察到近藤核磁共振，這個過程的可逆性可以被認為是由化學反應控制的可逆磁開關。

博科園-科學科普｜研究/來自：IMDEA Networks Institute

參考期刊文獻:《Science Advances》

論文DOI: 10.1126/sciadv.aau9366

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