莫尔超结构诱导的石墨烯表面氢吸附增强效应及其机制研究

本文推荐：该研究通过扫描隧道显微镜（STM）和密度泛函理论（DFT）揭示了莫尔（moiré）超结构对石墨烯氢吸附的增强作用。实验发现，氢原子优先吸附于石墨烯凸起区域，且高曲率莫尔结构（如R9°）的吸附效率提升9.3%，热稳定性显著优于平面石墨烯。这一发现为二维材料功能化及氢能存储提供了新思路。

　　

Abstract

研究团队利用铂（Pt）基底上外延生长的石墨烯（Gr）中自然形成的22种莫尔超结构，系统探究了周期性纳米图案对氢原子（H）化学吸附的影响。通过原子级分辨的扫描隧道显微镜（STM）结合密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛模拟，发现氢原子在莫尔图案凸起区域的吸附效率显著提升，其中高曲率结构（如R9°）的吸附量比平面石墨烯高9.3%，且400K下氢滞留时间延长至72分钟。

1 Introduction

石墨烯因其sp²杂化结构化学惰性高，限制了其在电子器件和能源存储中的应用。团队提出通过莫尔超结构诱导的局部曲率调控反应活性：当石墨烯与Pt(111)基底晶格失配时，会形成周期为4.9–19.5?的莫尔图案，导致0–0.40?的高度起伏。理论计算表明，凸起区域的碳原子更易发生sp²→sp³转变，降低氢吸附的能垒。

2 Results and Discussion

氢吸附位点偏好性
STM图像显示氢原子在R9°（曲率0.32?）等凸起区域形成多瓣团簇（图1e-j），而平坦的R10.9°（曲率<0.10?）几乎无吸附（图3c-d）。扫描隧道谱（STS）在385mV处发现氢相关峰（图2e-g），DFT计算证实该峰源于氢原子与邻近碳的态耦合（图2h）。

动力学模拟验证
蒙特卡洛模型引入曲率修正项ΔE_B^curv，模拟显示氢原子在R9°结构的吸附速率比平面石墨烯快9.3%（图5i）。高温脱附实验表明，400K下R9°结构的氢保留量比平面石墨烯高8倍（图5j），这与实验中团簇的室温稳定性一致。

机制解析
三个协同效应驱动选择性吸附：1）凸起区域C—H键结合能提高0.2–0.4eV；2）邻位（ortho-/para-）二聚体稳定性增强；3）凹区域氢原子易通过热扩散脱附。

3 Conclusion

该工作首次定量揭示了莫尔曲率与氢吸附效率的线性关系，为设计高性能石墨烯基储氢材料提供了理论依据。未来可通过调控基底晶格参数，定向合成高曲率莫尔结构以优化材料性能。

4 Experimental and Computational Methods

实验采用热裂解钨毛细管（2300K）产生氢原子束，在10^-10 mbar超高真空下沉积。DFT计算使用QUANTUM ESPRESSO软件包，采用PBE泛函处理电子交换关联能。蒙特卡洛模型引入Arrhenius方程（式2）描述温度依赖的反应速率，其中扩散势垒设定为1.0–1.6eV。