制备新范式：基于质子隧穿效应的单层石墨烯高效剥离策略！JACS
2026-01-14
全文概要
日本名古屋工业大学的Katsuyoshi Ikeda研究团队报道了一种基于质子隧穿效应的电化学新方法，可实现化学气相沉积（CVD）制备的单层石墨烯从铜（Cu）催化基底上快速剥离。该研究首先通过动力学分析和同位素效应，直接证明了石墨烯在电化学电势下的质子渗透主要源于量子隧穿效应，而非通过缺陷的经典热扩散。利用这一机理，研究团队开发了一种使用质子导体Nafion作为支撑层的电化学剥离技术，仅需10秒即可完成石墨烯剥离，且铜基底可重复用于CVD生长，克服了传统化学蚀刻法耗时数小时、消耗基底的限制。
本文要点
机理验证：通过对比裸Cu、石墨烯覆盖Cu（Graphene|Cu）和高取向热解石墨（HOPG）在酸性介质中的析氢反应（HER）曲线及Tafel斜率，结合H/D同位素效应，证实石墨烯的质子渗透主要由电势辅助的量子隧穿主导，与缺陷密度极低的拉曼光谱结果一致。
快速剥离技术：构建Nafion|Graphene|Cu电极，在负电位下，质子通过石墨烯隧穿至石墨烯-Cu界面发生HER，产生的氢气在界面处积聚形成高压，从而在约10秒内将石墨烯层从Cu基底整体剥离。剥离过程与石墨烯尺寸无关，适用于大面积石墨烯。
基底复用与质量优势：该方法不消耗Cu基底，使其可重复用于CVD合成，甚至允许使用高质量的单晶Cu(111)基底，有望提升工业化生产石墨烯的品质。
理论与展望：DFT计算模拟了电子存在下质子穿越石墨烯的势垒降低过程，为实验提供了理论支持。该工作不仅展示了一种高效的石墨烯转移技术，也为在电化学中明确利用量子效应提供了范例。
文献详情
Sekar Baranitharan, Tomonori Ohba, Katsuyoshi Ikeda*. Rapid Exfoliation of Monolayer Graphene from Catalytic Metal Substrate Using Proton Tunneling Effect, J. Am. Chem. Soc. (2026, ASAP) DOI: 10.1021/jacs.5c19015
