冯新亮院士团队: 首次报道芘基非平面石墨烯纳米带的有效溶液合成

研究背景

石墨烯纳米带 (Graphene Nanoribbons, GNR)，由于其独特的光电特性和在未来有机光电子学和自旋电子学中的潜在应用，正受到越来越多科研工作者的关注。

石墨烯纳米带的物理化学性质高度依赖于其边缘结构和宽度。与传统的“自上而下”法相比，“自下而上”的有机化学合成法可以制备具有精确结构的石墨烯纳米带，并能进一步对其进行功能化修饰。

除了通过调整石墨烯纳米带的宽度和边缘结构来实现能带调控外，在石墨烯纳米带中引入非平面特征（或曲率）可作为调控其拓扑构型和物理化学性质的另一种有效手段。这一重要手段可以影响石墨烯纳米带的液相分散性、带隙和电荷传输行为等特性，为其在器件应用中提供更多潜在优势。

近日，德累斯顿工业大学、马普微结构物理所冯新亮/马骥团队在前期工作的基础上，利用芘的结构易官能化、合成方法多样和化学稳定性好等优点，首次报道了芘基非平面石墨烯纳米带的有效溶液合成。

▲图 1. 本工作的设计与研究思路

(a) 作者已报道的通过在锯齿形边缘引入周期性的拱形结构来制备非平面纳米带。

(b) 本工作：在扶手椅形边缘引入拱形结构来构建非平面石墨烯纳米带。

该纳米带呈现弯曲的几何形状，通过一锅法实现了 4,5,9,10-四氢芘基聚合物前驱体的 K 区氧化和分子内环化反应。通过高效的 A2B2 型铃木偶联聚合和随后的肖尔反应，研究团队成功合成约 35 纳米长、具有扶手椅形和拱形混合边缘结构的石墨烯纳米带。通过对模型分子的合成与表征，研究团队验证了一锅法环化脱氢反应的高效性。为了深入了解该石墨烯纳米带的化学结构和光电性质，研究人员采用了拉曼、红外、固态核磁共振和扫描隧道显微镜等表征技术进行了详细的研究。

此外，采用紫外-可见光谱和太核磁光谱对其光电性能进行了分析，该纳米带表现出窄光学带隙（1.4 eV）和优异的电荷迁移率（∼3.6 cm² V⁻¹ s⁻¹）。这项研究为非平面型石墨烯纳米带的可控合成和性能调控提供了新的思路和方法，为该类材料在未来碳基光电子学等领域的进一步发展和应用提供了有益的指导和参考。

该成果以”Curved graphene nanoribbons derived from tetrahydropyrene-based polyphenylenes via one-pot K-region oxidation and Scholl cyclization”(《芘基非平面型石墨烯纳米带的精准化学合成》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上。

论文信息

Curved graphene nanoribbons derived from tetrahydropyrene-based polyphenylenes via one-pot K-region oxidation and Scholl cyclization

Sebastian Obermann, Wenhao Zheng, Jason Melidonie, Steffen Böckmann, Silvio Osella, Nicolás Arisnabarreta, L. Andrés Guerrero-León, Felix Hennersdorf, David Beljonne, Jan J. Weigand, Mischa Bonn, Steven De Feyter, Michael Ryan Hansen, Hai I. Wang, Ji Ma*(马骥，马普微结构物理研究所) and Xinliang Feng* (冯新亮，德累斯顿工业大学/马普微结构物理研究所)

Chem. Sci., 2023
https://doi.org/10.1039/D3SC02824K

通讯作者

冯新亮 教授
德累斯顿工业大学/马普微结构物理研究所

冯新亮，教授，德国马普学会微结构物理研究所所长，德累斯顿工业大学讲席教授，德国工程院院士，欧洲科学院院士，欧洲人文和自然科学院院士，德国德累斯顿石墨烯中心主任，上海交通大学客座讲席教授，欧盟“石墨烯旗舰”计划首席科学家。目前的研究领域主要集中在芳香偶联反应中的有机合成方法学；π 共轭分子的有机合成和超分子化学；基于 π-体系分子的超分子化学；自下而上合成和自上而下制备石墨烯纳米带；基于石墨烯的二维纳米材料和低维纳米结构的功能富碳材料以及用于能量储存和转换的杂化材料；基于光电应用的二维共轭聚合物；用于能量储存和转换的介孔共价有机框架和纳米结构的功能碳材料。迄今为止，已发表研究论文 680 余篇，引用次数 100869 余次，H 指数 158。

https://tu-dresden.de/mn/chemie/mc/mc2/die-professur/Inhaber

https://www.mpi-halle.mpg.de/smfd

马骥 博士
马普微结构物理研究所

马骥，博士，目前在马普微结构物理研究所、德累斯顿工业大学分子功能材料系，担任课题组长。主要研究方向是具有新型拓扑结构的功能性稠环芳烃的合成方法学研究；石墨烯分子和石墨烯纳米带的精准合成与芳香性调控研究；共轭低聚物和聚合物的合成及其光、电、磁特性的研究；基于纳米石墨烯的有机半导体分子器件和有机自旋量子学的应用研究。