近日，国家纳米科学中心任金东课题组通过N-杂环卡宾（NHC）和硫醇分子的协同作用，实现了对银表面多功能性和化学稳定性的精确调控。相关研究成果以Cooperative Use of N-heterocyclic Carbenes and Thiols on a Silver Surface - a Synergetic Approach to Surface Modification为题，在线发表于Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.4c10521）。该研究成功构建了具备优异抗腐蚀性和高导电性的多功能自组装单分子层（SAM），实现了原子层级的表面电子特性精确调控。
任金东课题组长期致力于功能分子在表界面物性精准表征与操控，深入研究了分子间的可控自组装（Angew. Chem.,Int. Ed. 2022,61 (13),e202115104）和定向表面化学反应（Nat. Chem. 2023,15,1737–1744），并在优化分子界面电子转移效率方面取得显著进展（J. Am. Chem. Soc. 2024,146(11),7288–7294）。此次研究基于前期工作，系统探讨了超分子层对材料表面电化学、电子学等特性及其微观机制的影响。
通过巧妙地将NHC与硫醇分子协同使用，研究团队成功地在同一表面上实现了抗腐蚀性和低电阻导电性能的双重优势。利用扫描隧道显微镜（STM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、电化学循环伏安法（CV）以及密度泛函理论（DFT）计算等多种技术手段，研究揭示了两者间的协同效应，发现银表面的d带中心发生了微小但重要的能级变化，显著提高了其抗腐蚀能力。这一表面电子特性调控方法为未来分子电子器件和纳米传感器的设计提供了新的方向。
图1. IPr、ODT和IPr / ODT覆盖银表面的防腐蚀性能及配体覆盖银片的表面电阻和态密度
进一步创新地，课题组通过控制NHC和硫醇的沉积顺序，获得了不同的分子配置，成功在银表面形成了结构各异的自组装单分子层。具体而言，平躺型NHC与硫醇组合形成了密集的层状结构，而立式NHC与硫醇的组合则生成了具有不同电子传输路径的界面。这种灵活的分子配置能力在表面催化应用中表现出显著优势，尤其在乙炔加氢催化反应中，不同分子配置的SAM对反应活性和选择性产生了显著影响，展示了NHC-硫醇复合SAM在催化领域的巨大潜力。
图2. 不同沉积顺序的IBu / ODT SAMs在银表面的STM图像和DFT优化构型及H2解离和乙炔加成过程在IBu - Ag - ODT和IBu - Ag - IBu上的相对能量
该研究不仅为基础科学提供了分子表面协同作用的新见解，还为高性能分子膜层在实际应用中的发展提供了重要的实验基础和理论指导。研究表明，通过合理设计分子的结构与功能，可以在电子传输、抗腐蚀和催化性能等方面实现分子界面的综合提升，为分子电子学、催化反应和纳米传感等高端应用提供了广阔的研究前景。
任金东研究员为本论文第一作者和通讯作者，德国明斯特大学Mowpriya Das博士和中国科学院物理所高于翔博士为共同第一作者，德国明斯特大学Frank Glorius院士和中国科学院物理所杜世萱研究员为共同通讯作者。上述成果得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c10521
