波纹辅助吸附实现室温下惰性气体在石墨烯上的稳定吸附

时间：2025年11月15日

来源：National Science Review

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本刊推荐：针对非极性气体（特别是惰性气体）在常压室温条件下难以稳定吸附的科学难题，研究人员开展了"波纹辅助吸附"机制研究。通过理论模拟与实验验证，首次实现了氙(Xe)、氪(Kr)、氩(Ar)、氦(He)等惰性气体在波纹化石墨烯上的室温稳定吸附，并证实吸附气体呈现周期性晶格排列。该研究突破了传统物理吸附/化学吸附理论框架，为气体存储分离、表面催化等领域提供了新范式。

在气体吸附研究领域，一个持续百年的科学难题始终困扰着研究人员：如何让惰性气体在常温常压条件下稳定地吸附在固体表面？从Freundlich经验公式到Langmuir等温模型，再到BET理论，吸附理论虽然日益完善，但对于氙、氪、氩、氦这些具有饱和电子结构的惰性气体，传统的物理吸附和化学吸附机制都显得力不从心。以往的研究往往需要将温度降至极低（如120mK或8K）才能实现短暂吸附，一旦温度回升，吸附的气体便会立即脱附。这种对低温的依赖严重限制了惰性气体在工业中的应用前景。

正是在这样的背景下，南京大学等机构的研究团队在《National Science Review》上发表了一项突破性研究。他们发现石墨烯表面固有的波纹结构可能是解决这一难题的关键。石墨烯作为典型的二维材料，其表面存在的纳米级起伏（振幅约0.7Å，波纹直径约80Å）不仅是一种结构特征，更可能成为增强气体吸附的活性位点。

研究人员采用多种先进技术手段开展系统性研究。理论计算方面通过密度泛函理论分析吸附能随波纹曲率的变化规律；实验部分结合扫描隧道显微镜(STM)表征吸附气体的晶格排列，利用X射线光电子能谱(XPS)和电子能量损失谱(EELS)进行元素鉴定，并通过拉曼光谱和电学测量跟踪吸附过程中的结构变化和物性演变。样品包括铜基底石墨烯、悬浮石墨烯以及NbSe₂、MoS₂和单壁碳纳米管等对比材料。

实现惰性气体原子在波纹石墨烯上的吸附

研究团队首先通过理论计算发现，平坦石墨烯对氩原子的吸附能仅为100meV，远低于室温热涨落能量。然而，当石墨烯波纹曲率增加至0.116时，吸附能显著提升至171meV，且这一趋势适用于所有惰性气体。值得注意的是，吸附能随气体分子量增加而增大，说明氙原子比氦原子更容易实现稳定吸附。

实验方面，研究人员采用弱电离等离子体技术，在保持石墨烯晶格完整性的前提下，成功实现了惰性气体的室温吸附。STM图像清晰显示，吸附的氙原子在Cu(111)基底的石墨烯上形成最密堆积结构，相邻原子间距约6.8Å。随着偏压改变，氙原子晶格呈现从六重对称向二重对称的转变，且始终与下层石墨烯晶格取向保持一致。通过350°C退火处理，吸附气体可完全脱附，石墨烯恢复完美六方晶格结构。

XPS分析进一步证实了吸附氙的存在，显示出明显的Xe 3d_3/2和3d_5/2特征峰（结合能分别为682.5eV和669.8eV），这些信号在脱附后完全消失。对于氩和氦原子，STM观察到它们以二聚体形式周期排列，相邻原子间距分别为300pm和230pm。

悬浮石墨烯上的惰性气体吸附

针对悬浮石墨烯的研究提供了更直接的证据。SAED（选区电子衍射）图谱显示，除了石墨烯的衍射环外，还存在一套额外的六方对称衍射斑点，对应晶化吸附氙原子，其晶格常数为5.3±0.2Å。尽管采用极低剂量（0.1pA/μm²）和短时采集（12秒），电子束仍会导致吸附氙的衍射信号在48秒内完全消失，证明吸附态的相对脆弱性。

在60kV超低剂量（0.025pA/μm²）条件下，经过3600秒累积采集的EELS谱成功检测到699eV处的氙特征峰。然而，对于更易脱附的氪、氩和氦，即使最优条件下也难以捕获其信号。

波纹辅助吸附的稳定性

拉曼光谱分析揭示了吸附过程的结构变化本质。原始石墨烯的D峰（~1350cm^-1）几乎不可见，而吸附氩后出现明显D峰，I_D/I_G比值达0.61，表明碳原子面外位移导致的sp³相变。这一变化在脱附后完全可逆，与边缘、空位或C-H键等永久缺陷有本质区别。

研究还发现吸附效果具有明显的层数依赖性：单层石墨烯I_D/I_G比值最高（0.61），随层数增加逐渐减弱（双层0.22，三层0.09）。同位素标记实验进一步证实，波纹变形存在于所有层中，但随深度递减。此外，基底接触也会影响吸附效果，衬底支撑石墨烯的变形程度高于悬浮石墨烯。

稳定性测试表明，吸附气体在室温真空环境下可稳定存在5个月以上。变温电阻测量显示，吸附气体的脱附起始温度约120°C，完全脱附温度分别为：氙350°C、氪320°C、氩250°C、氦230°C。通过Arrhenius公式拟合得到脱附活化能：氙207meV、氪106meV、氩83meV、氦48meV，与理论计算趋势一致。