制備新范式：基于質子隧穿效應的單層石墨烯高效剝離策略！JACS

全文概要

　　日本名古屋工業大學的Katsuyoshi Ikeda研究團隊報道了一種基于質子隧穿效應的電化學新方法，可實現化學氣相沉積（CVD）制備的單層石墨烯從銅（Cu）催化基底上快速剝離。該研究首先通過動力學分析和同位素效應，直接證明了石墨烯在電化學電勢下的質子滲透主要源于量子隧穿效應，而非通過缺陷的經典熱擴散。利用這一機理，研究團隊開發了一種使用質子導體Nafion作為支撐層的電化學剝離技術，僅需10秒即可完成石墨烯剝離，且銅基底可重復用于CVD生長，克服了傳統化學蝕刻法耗時數小時、消耗基底的限制。

本文要點

1. 機理驗證：通過對比裸Cu、石墨烯覆蓋Cu（Graphene|Cu）和高取向熱解石墨（HOPG）在酸性介質中的析氫反應（HER）曲線及Tafel斜率，結合H/D同位素效應，證實石墨烯的質子滲透主要由電勢輔助的量子隧穿主導，與缺陷密度極低的拉曼光譜結果一致。
2. 快速剝離技術：構建Nafion|Graphene|Cu電極，在負電位下，質子通過石墨烯隧穿至石墨烯-Cu界面發生HER，產生的氫氣在界面處積聚形成高壓，從而在約10秒內將石墨烯層從Cu基底整體剝離。剝離過程與石墨烯尺寸無關，適用于大面積石墨烯。
3. 基底復用與質量優勢：該方法不消耗Cu基底，使其可重復用于CVD合成，甚至允許使用高質量的單晶Cu(111)基底，有望提升工業化生產石墨烯的品質。
4. 理論與展望：DFT計算模擬了電子存在下質子穿越石墨烯的勢壘降低過程，為實驗提供了理論支持。該工作不僅展示了一種高效的石墨烯轉移技術，也為在電化學中明確利用量子效應提供了范例。

文獻詳情

　　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

　　來源：半導體技術情報