一种高效快速石墨烯纳米带的合成方法

人工合成纳米石墨烯的方法。图片来源：名古屋大学

纳米石墨烯由于其独特的电学性质引起了许多研究人员的广泛兴趣，成为下一代碳材料的有力候选者。名古屋大学的科学家发现了以可控方式形成纳米石墨烯的捷径。此简单，高效的纳米石墨烯合成方法有助于产生一系列新型光电材料，如有机电致发光显示器和太阳能电池。

来自JST-ERATO伊丹分子纳米碳项目的化学家团队和名古屋大学生物分子研究所（企业管理中的信息技术变革）的同事研发了一种简单而高效的合成纳米石墨烯的方法。最近，这种新方法发表在了《科学》杂志上，此方法有望在有机合成、材料科学和催化化学方面取得重大进展。

纳米石墨烯是一种一维纳米宽钢带石墨烯，由苯单元分子组成。纳米石墨烯包括光电材料在内由于其独特的电气特性，其作为下一代材料的有力候选者，正在引起人们的兴趣。纳米石墨烯的这些特性主要取决于其宽度、长度和边缘结构。因此，这种有效的从结构上控制纳米石墨烯的方法是非常可取的。

纳米石墨烯理想化的合成方式类似于“乐高”式的装配，即将苯单元定义到精确的数量并确定的分子形状。然而，这种直接的方法目前是不可能的。该团队开发了一种替代方法，即简单控制纳米石墨烯结构形成的三个关键步骤。

从亚苯基中合成纳米石墨烯的新方法。图片来源：名古屋大学

首先，通过交叉偶联反应将简单的苯衍生物线性组装。然后，这些通过钯催化剂相互连接的苯链使一个分子与三个苯环结合在一起，呈扁平三角形状。在链上一直重复这个过程，有效的促进了环的合成。

创新团队研发实现了形成中间步骤的新方法，即形成三环三角形单元，进一步反应生成纳米石墨烯分子。使用卤代烷作为反应试剂是一种连接苯单元的传统技术。卤代芳烃是芳香族化合物，其中一个或多个与芳香环结合的氢原子被卤素原子取代，如氟（f）、氯（Cl）、溴（Br）或碘（I）。1901年，Fritz Ullmann和Jean Bielecki发现这种苯连接一个单点的过程称为二聚体形成。然而，Ullmann并没有使用复方苯为原料生成纳米石墨烯。

研究小组发现使用钯催化剂可以在两个点之间连接苯单元，并提供三个苯环的三角形结构。在每个环的中心形成一个三亚苯。

“这一发现相当偶然。”这项研究的领导者之一，名古屋大学的Kei Murakami教授说：“我们认为这种反应是这种纳米石墨烯合成新方法的关键。”

从一个简单的苯衍生物3步合成纳米石墨烯。图片来源：名古屋大学

团队利用Scholl反应重复这一过程并成功的合成了纳米石墨烯分子。该反应进行的方式与以三亚苯为核心的苯环被压缩的方式相似。

“这个研究的一个最难的部分是获得科学证据证明三亚苯衍生物和纳米石墨烯分子的结构。”进行该实验的主要研究生Yoshito Koga说：“因为我们组之前没有人检测三亚苯和纳米石墨烯，我是通过“试错法”进行研究的。，当我第一次看到通过MALDI（基质辅助激光解吸/电离）揭示的理想分子质量的质谱信号时我非常兴奋，这表明我们已经成功地用一个受控的方式生产纳米石墨烯。”

该团队已经成功地合成各种三亚苯衍生物，如包括10个苯环、萘（一种融合双苯环），氮原子和硫原子的分子。这些前所未有的三亚苯衍生物可用于太阳能电池。

Murakami 说：“由简单苯单元生成功能分子的方法不仅适用于合成纳米石墨烯，也适用于其他各种碳纳米材料。”

“纳米石墨烯被用作未来的材料。” JST-ERATO伊丹分子纳米碳项目主管Kenichiro Itami教授说：“我们希望我们的研究可以加速应用研究的步伐并推进纳米石墨烯科学领域的发展。”

原文来自phys，原文题目：A fast and efficient method for graphene nanoribbon synthesis

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