日本产业技术综合研究所Nat. Commun.: 石墨烯中的碱金属双层插层

2024年1月24日，Nat. Commun.在线发表了日本产业技术综合研究所（AIST）Yung-Chang Lin和Kazu Suenaga课题组的研究论文，题目为《Alkali metal bilayer intercalation in graphene》。

插层是指将外来原子或分子插层到主体材料中，因其在储能、催化和电子学领域的潜在应用而受到极大关注。层状材料中较弱的层间相互作用产生了一个天然的二维纳米容器，能够容纳外来物种进行自组装。自1926年被首次报道以来，碱金属（AMs）在石墨中的插层已经被广泛研究了近一个世纪。AMs包括锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）和铯（Cs），由于其低电负性、高反应性、催化行为和在石墨中存储电荷的能力而引起了特别的兴趣。石墨烯层之间的AMs插层有望用于电子操纵和能量存储，虽然进行了广泛的研究，但其潜在机制仍然具有挑战性。

在此研究中，作者使用低压扫描透射电子显微镜（LV-STEM）来观察双层石墨烯（BLG）中插层AMs（K、Rb和Cs）的原子结构。研究结果表明，插层AMs采用hcp堆垛的双层结构，特别是C₆M₂C₆组成。这些结构与高压条件下在AMs中观察到fcc(111)的双层结构非常相似。通过电子能量损失谱（EELS）、拉曼光谱和电输运测定了从双层AMs转移到石墨烯层的负电荷约为1 ~ 1.5 × 10¹⁴ e^–/cm^–2。

在双层石墨烯中没有发现单层或三层AMs构型。双层AMs在双层石墨烯和石墨表层中是稳定的，但在石墨内部不存在，主要由单层AMs插层为主，这暗示了通过使石墨材料变薄来增强AMs的插层能力。这项研究发现不仅有助于深入了解AMs在双层石墨烯中的插层，而且为AMs离子在电解质插层过程中的潜在行为提供了有价值的信息。

图1 C₆Cs₂C₆中Cs双层的STEM图像及原子结构

图2 双层石墨烯中K、Rb和Cs双层的结构和光谱

图3 碱金属插层双层石墨烯的电子性质

图4 石墨中K和Cs插层的表征

【论文链接】

Lin, YC., Matsumoto, R., Liu, Q. et al. Alkali metal bilayer intercalation in graphene. Nat. Commun., 2024, 15, 425. https://doi.org/10.1038/s41467-023-44602-3

【其他相关文献】

[1] Vasu, K., Prestat, E., Abraham, J. et al. Van der Waals pressure and its effect on trapped interlayer molecules. Nat. Commun., 2016, 7, 12168. https://doi.org/10.1038/ncomms12168

[2] Kühne, M., Börrnert, F., Fecher, S. et al. Reversible superdense ordering of lithium between two graphene sheets. Nature, 2018, 564, 234–239. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0754-2