作为石墨烯的分子模型，纳米石墨烯的研究一直广受关注，尤其双层或多层纳米石墨烯，因其性质更趋近于自然界中的石墨烯材料。研究纳米石墨烯分子的电子得失有助于理解石墨烯经氧化还原掺杂后的物理特性。近日，王新平课题组和厦门大学谭元植课题组合作报道了一例具有自旋阻挫性质的双层纳米石墨烯自由基离子。
王新平课题组和谭元植课题组分别在π共轭分子的氧化还原反应和中性纳米石墨烯的合成研究积累了经验。他们合作发现，利用三当量的钾单质在四氢呋喃中对纳米石墨烯 ((C96H24Ar6)2, Ar = 2,6-dimethylphenyl) 在冠醚的参与下进行还原，得到了一例三价双层纳米石墨烯自由基阴离子。其中，两层之间以面对面π-π堆积的方式二聚，平均C∙∙∙C距离略长于中性双层前体，说明得电子后增大了分子间斥力。电子顺磁共振（EPR）和超导量子干涉（SQUID）测试表明该纳米石墨烯两层之间存在弱的反铁磁相互作用，具有双线态基态，可以被热激发为三线态，在低温下表现出自旋阻挫的性质（阻挫系数f = |θcw|/TN> 31.8）。乔治敦大学Miklos Kertesz教授对双层自由基阴离子进行了理论计算，发现三个单电子离域分布在双层共轭平面上形成96中心3电子薄煎饼(pancake)键。该双层纳米石墨烯可看成共振模型“单自由基-双自由基”三角形自旋阻挫结构。
综上，本工作首次发现了纳米石墨烯分子的自旋阻挫现象，为石墨烯的氧化还原研究提供了分子模型，表明双层或多层石墨烯在经过适当的氧化还原掺杂之后可能具有量子自旋液体性质。该成果在线发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）期刊。论文第一作者为南京大学博士生王文清（现就职于安徽师范大学）、厦门大学博士生马晓慧和南京大学博士生刘敏，通讯作者为王新平教授（现就职于中科院上海有机化学研究所）、谭元植教授和 Miklos Kertesz教授。该工作得到了国家自然科学基金和科技部国家重点研发项目等经费支持。
原文：
A Triply Negatively Charged Nanographene Bilayer with Spin Frustration
Wenqing Wang, Xiao-Hui Ma, Min Liu, Shuxuan Tang, Xuguang Ding, Yue Zhao, Yuan-Zhi Tan, Miklos Kertesz, Xinping Wang
Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202217788, DOI: 10.1002/anie.202217788
导师介绍
谭元植
https://www.x-mol.com/university/faculty/64070
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