纳米带

一个由化学家、物理学家和材料科学家组成的国际团队为技术突出的石墨烯纳米结构的表面合成实施保护/脱保护策略

芝加哥大学的董广彬教授课题组和加州大学伯克利分校的Michael F. Crommie教授课题组发展了一种基于迭代的Suzuki–Miyaura偶联的合成策略（PAIS），成功地制备了一系列单分散的石墨烯纳米带，并使用基质辅助的直接转移技术（matrix assisted direct transfer，MAD transfer）和化学键分辨的扫描隧道显微技术（bond-resolved scanning tunneling microscopy，BRSTM）对这些产物进行了表征（图1）。

近日，德国马克斯•普朗克高分子研究所Klaus Müllen教授/香港中文大学（深圳）丘子杰教授受邀在化学顶级期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上发表前瞻性文章（Perspective），系统总结了NG和GNR的合成发展之路以及在材料科学领域的多样化应用，同时对该领域未来的合成挑战以及材料应用前景进行了展望。

吡啶氮原子作用在GNR外侧，其作用相当于碳原子加氢原子，故对该GNR的能带结构影响较小；而石墨氮原子作用在GNR内部，由于它比被替换的碳原子多一个电子，对GNR的能带结构产生本质的影响（金属性）。这项工作通过实验与理论结合，揭示了不同氮掺杂位点对GNRs能带结构调控作用的本质,为石墨烯应用于半导体器件提供了更多途径和依据。

该论文首次报道了一种合成结构、宽度及长度均可控的石墨烯纳米带聚合方法，该法有望为研究石墨烯纳米带长度对其理化性质的影响奠定材料基础。作为通讯作者的伊丹健一郎也表示，“这项研究解决了一个多年以来的难题。为实现量产化（我们）已与企业展开合作，希望早日将该技术应用落地。”

掺杂氮和硫的石墨烯结构可有效提高电化学性能，但石墨烯的无序排列导致电荷在快速充电速度下储存在石墨烯表面。本研究通过对碳纳米管进行电化学解压缩，使石墨烯纳米带具有井然有序的阶梯边缘，降低了钾离子在充放电反应之间的高能垒，从而实现了高性能的钾离子电池。

该课题组和清华大学徐志平团队合作通过调控化学气相沉积过程中的生长参数，直接在液态金属表面原位生长出大面积、高质量的石墨烯纳米带阵列。研究表明，将氢气的流速控制在一个相对微量的状态，同时以液态金属作为催化基底，可以引入一种新型的梳状刻蚀行为，从而调控石墨烯的生长。实验发现，利用梳状刻蚀控制石墨烯的生长，可以将传统的薄膜生长转化为准一维的线性生长，从而直接制备高质量、大面积的石墨烯纳米带阵列。通过优化生长条件，可以将石墨烯纳米带的宽度缩小至8 纳米，且长度大于3 微米。该工作为大面积、快速制备石墨烯纳米带的研究奠定了基础。