一種高效快速石墨烯納米帶的合成方法

人工合成納米石墨烯的方法。圖片來源：名古屋大學

納米石墨烯由於其獨特的電學性質引起了許多研究人員的廣泛興趣，成為下一代碳材料的有力候選者。名古屋大學的科學家發現了以可控方式形成納米石墨烯的捷徑。此簡單，高效的納米石墨烯合成方法有助於產生一系列新型光電材料，如有機電致發光顯示器和太陽能電池。

來自JST-ERATO伊丹分子納米碳項目的化學家團隊和名古屋大學生物分子研究所（企業管理中的信息技術變革）的同事研發了一種簡單而高效的合成納米石墨烯的方法。最近，這種新方法發表在了《科學》雜誌上，此方法有望在有機合成、材料科學和催化化學方面取得重大進展。

納米石墨烯是一種一維納米寬鋼帶石墨烯，由苯單元分子組成。納米石墨烯包括光電材料在內由於其獨特的電氣特性，其作為下一代材料的有力候選者，正在引起人們的興趣。納米石墨烯的這些特性主要取決於其寬度、長度和邊緣結構。因此，這種有效的從結構上控制納米石墨烯的方法是非常可取的。

納米石墨烯理想化的合成方式類似於「樂高」式的裝配，即將苯單元定義到精確的數量並確定的分子形狀。然而，這種直接的方法目前是不可能的。該團隊開發了一種替代方法，即簡單控制納米石墨烯結構形成的三個關鍵步驟。

從亞苯基中合成納米石墨烯的新方法。圖片來源：名古屋大學

首先，通過交叉偶聯反應將簡單的苯衍生物線性組裝。然後，這些通過鈀催化劑相互連接的苯鏈使一個分子與三個苯環結合在一起，呈扁平三角形狀。在鏈上一直重複這個過程，有效的促進了環的合成。

創新團隊研發實現了形成中間步驟的新方法，即形成三環三角形單元，進一步反應生成納米石墨烯分子。使用鹵代烷作為反應試劑是一種連接苯單元的傳統技術。鹵代芳烴是芳香族化合物，其中一個或多個與芳香環結合的氫原子被鹵素原子取代，如氟（f）、氯（Cl）、溴（Br）或碘（I）。1901年，Fritz Ullmann和Jean Bielecki發現這種苯連接一個單點的過程稱為二聚體形成。然而，Ullmann並沒有使用復方苯為原料生成納米石墨烯。

研究小組發現使用鈀催化劑可以在兩個點之間連接苯單元，並提供三個苯環的三角形結構。在每個環的中心形成一個三亞苯。

「這一發現相當偶然。」這項研究的領導者之一，名古屋大學的Kei Murakami教授說：「我們認為這種反應是這種納米石墨烯合成新方法的關鍵。」

從一個簡單的苯衍生物3步合成納米石墨烯。圖片來源：名古屋大學

團隊利用Scholl反應重複這一過程並成功的合成了納米石墨烯分子。該反應進行的方式與以三亞苯為核心的苯環被壓縮的方式相似。

「這個研究的一個最難的部分是獲得科學證據證明三亞苯衍生物和納米石墨烯分子的結構。」進行該實驗的主要研究生Yoshito Koga說：「因為我們組之前沒有人檢測三亞苯和納米石墨烯，我是通過「試錯法」進行研究的。，當我第一次看到通過MALDI（基質輔助激光解吸/電離）揭示的理想分子質量的質譜信號時我非常興奮，這表明我們已經成功地用一個受控的方式生產納米石墨烯。」

該團隊已經成功地合成各種三亞苯衍生物，如包括10個苯環、萘（一種融合雙苯環），氮原子和硫原子的分子。這些前所未有的三亞苯衍生物可用於太陽能電池。

Murakami 說：「由簡單苯單元生成功能分子的方法不僅適用於合成納米石墨烯，也適用於其他各種碳納米材料。」

「納米石墨烯被用作未來的材料。」 JST-ERATO伊丹分子納米碳項目主管Kenichiro Itami教授說：「我們希望我們的研究可以加速應用研究的步伐並推進納米石墨烯科學領域的發展。」

原文來自phys，原文題目：A fast and efficient method for graphene nanoribbon synthesis，由材料科技在線團隊翻譯整理

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！