常温条件下通过冷冻电镜直接观测二维 Ca-Cl 晶体

最近，我们报道了在常温条件下，从远低于饱和浓度的盐溶液中，在还原氧化石墨烯膜上以及天然石墨粉末表面上，直接观测到 Na2Cl 和 Na3Cl 作为二维（2D）Na-Cl 晶体，以及规则的 NaCl。然而，对于高价离子（如钙离子和铜离子）这些异常化学计量比仍属未知。在此，利用冷冻电镜，我们报道了在还原氧化石墨烯（rGO）膜上二维（2D）Ca-Cl 晶体的直接观测，其中钙离子仅为一价（即 +1）。值得注意的是，这些 CaCl 晶体表现出金属性而非绝缘性。我们注意到，此类 CaCl 晶体是通过在常温条件下将 rGO 膜简单地浸没于低于饱和浓度的盐溶液中获得的。理论研究表明，这些异常晶体的形成归因于 Ca2+ 离子与石墨表面芳香环的强阳离子-π 相互作用。由于其他金属离子（如 Mg2+、Fe2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr2+ 和 Pb2+）与石墨表面之间也存在强阳离子-π 相互作用，因此高度预期会出现具有金属阳离子异常价态及相应异常性质的类似二维晶体。具有一价钙离子的二维晶体显示出不寻常的电子性质，可应用于催化剂、储氢、高性能导电电极和传感器。这些发现还产生了功能化石墨烯，包括致密的“石墨烯-金属性 CaCl-绝缘性 CaCl2”结，可用作直至原子尺度的晶体管，以及其他用于磁、光和机械应用的器件。