快速高效合成纳米石墨烯的新方法

名古屋大学在美国,一个研究小组已经开发出一种快速高效合成纳米石墨烯的新技术。纳米石墨烯是一种作为下一代材料具有巨大潜力的纳米碳。

快速高效合成纳米石墨烯的新方法。
APEX反应在多环芳烃的K、M和海湾区域进行,合成多个纳米石墨烯。然后可以重复这些反应,进一步增加可以合成的潜在纳米石墨烯结构的数量。图片来源:Issey Takahashi。

纳米石墨烯是石墨烯的部分结构,是一层厚度约为3纳米的碳原子,在半导体开发中具有特殊的应用潜力。与这一代材料相比,电子迁移率提高了数百倍。

石墨烯于2004年首次被分离出来,这一突破获得了2010年诺贝尔物理学奖,使其成为一种非常新颖的材料,被认为是大量研究的主题。

在纳米碳研究领域,研究人员对纳米石墨烯表现出比石墨烯更强的电、磁特性,表现出类似的兴趣。科学家们所经历的最大障碍是可能存在的纳米石墨烯的数量,尽管这是一个令人兴奋的障碍。

潜在的纳米石墨烯结构的数量随着苯环(6个六方碳原子)的数量的增加而增加。例如,即使是一个相对较小的10苯环纳米石墨烯也可能有多达16,000个变体。

由于每一种纳米石墨烯都具有不同的物理特性,应用纳米石墨烯研究的关键是确定尽可能多的纳米石墨烯的结构和特性之间的关系。

因此,研究人员的任务是制作一个纳米石墨烯库,包括尽可能多的纳米石墨烯性质的数据。然而,目前的纳米石墨烯合成技术称为偶联反应,是一个多步骤的过程,可以生成单个纳米石墨烯。

因此,要创建一个100纳米石墨烯库,执行100个单独的耦合反应是必不可少的。即便如此,这也将是一项重大的任务,使构建一个真正广泛的纳米石墨烯库几乎是不可能的。

为了解决这个问题,名古屋大学的研究人员,以Kenichiro Itami教授为首,对APEX反应进行了研究。这是一种以多环芳烃为模板制备纳米石墨烯的反应。

多环芳烃的结构有三个区域,分别是海湾区、M区和K区,它们可以在APEX反应中被拉长,从而生成三个纳米石墨烯。

然后,这些纳米石墨烯可以在另一个反应中进一步拉长,这意味着可以从单个多环芳烃模板分子合成大量纳米石墨烯。

伊塔米教授的团队已经开发出了K地区的APEX反应,另一组研究人员已经在海湾地区完成了这项工作。所以重点是在M区域。

研究人员在1950年诺贝尔奖得主迪尔斯-阿尔德反应的帮助下激活了M区,并成功地在激活的M区上进行了延伸反应。这使得多环芳烃上的所有三个可行的位点都能够熟练地合成纳米石墨烯。

科学家们可以产生13个纳米石墨烯以及三个顶点反应,其中大多数是新结构,从而证明了这项新技术的多功能性和效率。

这项引人入胜的新研究及其加速制作纳米石墨烯库的能力是下一代材料出现的一步,这种材料能够彻底改变太阳能和半导体,提高全球生活质量。

期刊引用:

松岗,W。. (2021)通过脱芳环π-延伸实现纳米石墨烯的多样性定向合成。自然通讯doi.org/10.1038/s41467 - 021 - 24261 - y

资料来源:https://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/

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