Angew. Chem. ：从设计到合成——高压拓扑化学打造带隙可调的石墨烯纳米带

石墨烯纳米带（Graphene Nanoribbons, GNRs）是一类宽度介于 1–100 nm 的一维石墨烯衍生物，因量子限域效应而展现出独特的电学、光学和磁学特性，被视为下一代纳米电子器件和高灵敏传感器的理想材料。GNR 的电子结构与其带宽、边缘类型及杂原子掺杂方式密切相关。实现对这些结构参数的精准调控，是推动其器件化应用的核心挑战。目前，“自下而上”的合成策略（包括表面合成与溶液合成）虽能在原子级实现结构设计，但仍存在难以规模化、产率有限、纳米带长度受限等问题，制约了其在实际器件中的推广应用。因此，发展一种兼具结构可控性、尺寸均一性与可扩展性的合成新方法，成为该领域亟待突破的关键科学问题。拓扑化学以晶格为模板，通过固定分子空间排列，实现反应的高选择性和精确结构控制，为功能材料的制备提供了一种可控、高效的固态合成策略。北京高压科学研究中心李阔、郑海燕课题组长期致力于研究高压条件下不饱和碳基分子的拓扑聚合反应，开发了基于二苯基丁二炔分子的拓扑脱氢狄尔斯-阿尔德反应(Dehydro-Diels-Alder reaction, DDA)，合成了具有sp³-C(-H) 的晶态[8]-armchair型石墨烯纳米带。

近日，北京高压科学研究中心李阔研究员团队和香港大学陈粤教授团队利用高压拓扑化学反应，在原子级精度上实现了氮与sp³碳共掺杂的GNR合成，并实现了带隙的可控调控。针对石墨烯纳米带可控带隙调控的挑战，研究团队通过理论计算发现，在[8]-armchair型石墨烯纳米带（[8]-AGNR）中，有序引入氮原子（N）和sp³-C(-H) 基团可在0–2.85 eV范围内实现带隙的准连续可调。这种“氮掺杂+sp³碳屏障”协同设计，为构建“可编辑”能带结构的碳纳米材料提供了新思路。基于此思路，团队利用之前开发的高压拓扑化学DDA反应，从结晶的吡啶基和嘧啶基二炔前驱体出发，在室温和高压条件下一步合成了三种具有不同掺杂结构的[8]-AGNR，其中氮含量最高达27 wt%。通过光谱学、衍射、透射电镜、对分布函数以及固态核磁共振等多手段表征，研究者系统揭示了产物的有序结构与电子结构之间的内在关联。UV–vis–NIR漫反射结果明确显示掺杂位置和比例的变化可调节材料的带隙宽度。该研究展示了高压拓扑化学反应在原子级精准掺杂与能带工程中的强大潜力，为可规模化制备结构特定、性质可控的碳基纳米材料提供了一条全新途径。

论文信息

Bandgap Engineering of Graphene Nanoribbon via High-Pressure Topochemical Synthesis

Dr. Peijie Zhang, Yunfan Fei, Qingchao Zeng, Jingqin Xu, Fang Li, Jianjun Mao, Chengliang Xia, Dr. Yue Chen, Drs. Jie Liu, Yajie Wang, Drs. Xiaoge Wang, Jing Ju, Liangliang Meng, Dr. Hongcun Bai, Dr. Hongliang Dong, Xingyu Tang, Dexiang Gao, Xuan Wang, Xiao Dong, Ho-kwang Mao, Haiyan Zheng, Dr. Kuo Li

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202510339