Chem. Mater. | 长度可控合成石墨烯纳米带

背景介绍

石墨烯是碳的一种同素异形体，由 sp² 杂化的碳原子通过共价键连接，构成单层六边形蜂窝状晶格结构。凭借其优异的力学强度、高载流子迁移率以及卓越的导热性能，石墨烯在生物医疗、能源转换与存储以及航空航天等领域展现出广阔的应用前景。然而，石墨烯本征零带隙的电子结构限制了其在室温场效应晶体管等领域中的应用，制约了其进一步发展。为克服这一问题，石墨烯纳米带（graphene nanoribbon, GNR）作为一种重要衍生结构受到广泛关注。GNR 是指宽度处于纳米尺度的条带状石墨烯结构，由于量子限域效应与边缘效应的共同作用，其电子结构和能带性质对尺寸和形貌高度敏感。一般而言，GNR 的物理化学性质主要取决于其结构参数，如长度、宽度及边缘构型等。因此，实现结构可控的 GNR 合成，对于深入理解其性质并推动器件应用具有重要意义。目前，GNR 的制备策略主要包括“自上而下”（top-down）和“自下而上”（bottom-up）两类方法。自上而下策略通常通过物理或化学手段对石墨烯或碳纳米管进行切割或剥离，从而获得条带状结构。然而，该方法在长度、宽度、边缘结构及缺陷分布等方面难以实现原子级精确控制。相比之下，自下而上策略以多环芳烃小分子为构筑单元，通过可控聚合与环化反应逐步构筑目标结构，能够在宽度和边缘类型上实现更高程度的结构可控性，是当前高精度 GNR 合成的重要发展方向。在影响 GNR 性能的诸多结构因素中，长度是一个至关重要的参数，可直接影响电荷输运行为以及器件性能表现。目前，GNR的长度可控合成取得了一定的进展，同时仍面临诸多挑战（图1）。

图1. 石墨烯纳米带的长度可控合成

文章亮点

近日，南开大学尹江亮课题组和芝加哥大学董广彬课题组在Chemistry of Materials上合作发表了题为“石墨烯纳米带的长度可控合成”的综述文章，总结了近年来这一领域的进展，主要包含三个方面的内容：一是利用活性聚合策略（living polymerization）以得到具有窄分散度的GNR；二是利用常规的迭代合成策略（conventional iterative synthesis）以制备特定的GNR纯净物；三是利用保护基辅助的迭代合成策略（protecting group aided iterative synthesis，PAIS）以构筑结构多样化的单分散GNR。

活性聚合在实现低分散度、原子级精确、尺寸可预测的GNR方面具有明显的优势。活性聚合，特别是催化剂转移聚合，如Suzuki-Miyaura聚合等，可以通过调节单体与引发剂的比例等反应条件来调控GNR的长度，从而精确控制分子量和分散度（图2a）。Felix R. Fischer课题组发展了活性开环炔烃复分解反应（ROAMP）以制备具有窄分散度的炔烃聚合物（Đ ~ 1.2），基于该聚合物的Diels-Alder反应可构筑波浪型GNR（chevron-type GNR）。Tae-Lim Choi课题组利用活性Suzuki–Miyaura聚合策略合成了GNR前体（Đ ~ 1.14–1.39），该前体可经历分子内的炔环化反应以得到具有窄分散度的N = 5 AGNR，该GNR可进一步经历分子内的Scholl反应以得到宽度增加的N = 11 AGNR。Xinliang Feng课题组和Ji Ma课题组通过将两种不同的单体在不同的时间段加入到反应体系中，实现了异质结GNR的长度可控合成。

活性聚合策略在构筑窄分散度的GNR方面具有诸多优势，如实用性强、合成效率高等，但是该策略无法实现单分散GNR的制备。为了解决这一问题，科学家们发展了迭代合成策略（图2b）。该方法通过控制偶联底物的比例来调控偶联产物的选择性，可以实现单分散的多并苯衍生物（acene derivatives）和萘嵌苯类纳米带的构筑。

但是由常规迭代合成策略得到的产物类型比较局限，通常只能够得到较短的产物，而且不能够有效地将三种或三种以上单体以指定的顺序偶联。保护基辅助的迭代合成策略可解决这些问题（图2c），该策略的核心是双官能化单体的使用，分别选用Br（溴）和B（dan）（1，8-二萘胺保护的硼酸）作为单体的端基，一次迭代过程包括偶联和脱保护两个反应历程，可将多种不同的单体以顺序可控的方式连接起来，以得到结构多样化的单分散GNR。为了提高合成效率，Guangbin Dong课题组进一步设计了混合迭代策略（integrated iterative binomial synthesis，IIBS），即将PAIS和IBS（iterative binomial synthesis）有机结合起来，选用酚羟基和B(dan)作为端基，一次迭代可使链长翻倍，利用该策略可实现长度达20nm的单分散GNR的合成。

图2. 实现石墨烯纳米带长度可控合成的三种策略：（a）活性聚合；（b）常规的迭代合成；（c）保护基辅助的迭代合成。

总结/展望

三种合成策略各有优缺点：活性聚合可快速制备窄分散度的GNR，具有较强的实用性和较高的合成效率，但是无法得到单分散产品；常规的迭代合成可制备单分散的GNR，但是产物类型局限，适用于长度较短产物的合成；保护基辅助的迭代合成策略可以构筑结构更加多样化的单分散GNR产品，但是合成步骤繁琐，耗时较长。在实际的操作过程中，可以根据不同的应用场景来选择最优的合成方案。

相关论文发表在Chemistry of Materials上，芝加哥大学Daniel Pyle博士和南开大学博士研究生相宇彤为文章的共同第一作者， 尹江亮特聘研究员和董广彬教授为通讯作者。

通讯作者信息

尹江亮 特聘研究员

尹江亮，特聘研究员，国家级青年人才项目入选者，南开大学“百名青年学科带头人”。2014年在兰州大学获得化学学士学位，2019年获四川大学有机化学博士学位（导师：游劲松教授），于2019年底到2024年在美国芝加哥大学董广彬教授课题组从事博士后研究，2025年1月加入南开大学独立开展科研工作。研究内容涵盖有机合成、高分子合成、固相合成、自动化合成以及有机功能材料等，在Nat. Synth.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等国际著名期刊发表多篇研究论文。

课题组常年招收具有有机化学、材料化学、高分子化学等领域研究背景的博士后和硕博研究生，欢迎感兴趣的同学联系加入！

联系方式：jiangliangyin@nankai.edu.cn

主页链接：https://mse.nankai.edu.cn/yjl/list.htm

董广彬 教授

Guangbin Dong is the Weldon G. Brown Professor of the Chemistry Department at the University of Chicago. After receiving a B.S. degree from Peking University, he completed his Ph.D. degree in chemistry at Stanford University with Professor Barry M. Trost, where he was a Larry Yung Stanford Graduate fellow. In 2009, he began to research with Professor Robert H. Grubbs at California Institute of Technology, as a Camille and Henry Dreyfus Environmental Chemistry Fellow. In 2011, he joined the department of chemistry and biochemistry at the University of Texas at Austin as an assistant professor and a CPRIT Scholar. In 2016, he became a Professor of Chemistry at the University of Chicago. Since 2023, he has been the first chair of the Weldon G. Brown Professorship. His current research interests include activation of inert bonds, total synthesis of bioactive natural products, boron chemistry, and graphene nanoribbons.

原文信息

英文原题：Length Controlled Synthesis of Graphene Nanoribbons

通讯作者：尹江亮（南开大学材料科学与工程学院），董广彬（芝加哥大学化学学院）

作者：Daniel Pyle，Yutong Xiang（相宇彤），Xingchen Li（李星辰），Ruohai Wang（王若海）

Chem. Mater. 2026, 38, 4, 1596-1612

Publication Date: February 3, 2026

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5c02756