北京航空航天大学再发Nature！石墨烯新突破！

单原子层状碳材料，如石墨烯和非晶单层碳，由于其前所未有的物理性质和广泛的应用前景，激发了激烈的基础和应用研究。

到目前为止，这类材料主要是通过化学气相沉积生产的，与液相合成相比，化学气相沉积通常需要严格的反应条件。

在此，来自 清华大学 的 谷林 、 国家纳米科学技术中心 的 裘晓辉 、 中国科学院大学 的 周武 、以及 北京航空航天大学 的 刘利 民 & 郭林 等研究者展示了，通过在 可移动层状 双氢氧化物模板的封闭层间腔内聚合吡咯 ，制备具有混合五、六、七元(5-6-7元)环的 独立氮掺杂非晶态单层碳的溶液 。 相关论文以题为“ Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon ”于2024年09月25日发表在 Nature 上。

将非六边形单元的拓扑结构引入蜂窝状晶格，可以显著改变 sp ² 碳网络的电子和机械性质，从而提供与无序超均匀系统相似的可调节特性。

近期的研究进展包括利用激光辅助化学气相沉积（CVD）合成包含5-6-7-8元环混合拼接的单层无定形碳材料，其中由气态前驱体分解产生的碳原子在远离热力学平衡的条件下组装成无定形晶格。

在另一项研究中，Tian等人通过调节低温CVD工艺中的热解温度，实现了对单层无定形碳中无序程度的精确控制，从而能够调节材料的宏观电导率。

二维无定形碳网络还为研究与掺杂化学相关的电子局域化现象提供了机会。将杂原子引入拉伸的碳骨架，同时保持系统中的 sp ² 碳比例，提供了一个不同于传统三维无定形碳的平台，其性质通常通过Robertson模型进行解释。

然而，具有扭曲环的平面碳结构在热力学上是亚稳态的，这对这种材料的可控合成构成了重大挑战。常规的高温CVD分解过程倾向于促进C–C键的形成，同时抑制掺杂剂在 sp ² 碳晶格中的引入。

在此，研究者报道了一种通过 空间限制的溶液相合成 方法制备 氮掺杂无定形单层碳 （NAMC）的策略 。研究者使用了层状双氢氧化物（LDH）纳米片作为可移除模板，并以含氮分子作为前驱体（如图1a所示）。

传统的溶液相合成，在制备自由支撑的碳材料时遇到许多障碍，主要是由于构建单元之间复杂的相互作用、连接组分的空间灵活性以及反应产物的溶解性差。

然而，在LDH层间、基底表面、气液界面或液液界面中进行的模板化反应，能够通过强制构建单元的平面排列和组装，克服这些挑战，从而促进随后共价框架的构建。

与CVD相比，这种基于溶液的方法具有更广泛的前驱体选择，且有望实现杂原子在 sp ² 碳基体中的可控掺杂，这在CVD中由于掺杂原子在高温下的氧化还原活性较难实现。

研究者通过进一步合成二维无定形单层聚噻吩（PTH）和聚咔唑（PCZ），展示了这一空间限制生长方法的多功能性。

图1 NAMC的结构表征。

图2 提出了由吡咯分子合成5-6-7元环纳米碳纳米管的过程。

图3 用EFM和光谱学表征SiO ₂ 衬底上纳米碳化物的电学特性。

综上所述，研究者通过溶液中N含量分子的限制聚合成功合成了NAMC。这种石墨化的氮掺杂无定形碳可以作为氮掺杂石墨烯的有力替代材料，并为研究氮的化学状态与碳纳米材料特性之间的相关性提供了一个多功能平台。

该限制聚合策略还可推广用于合成包含各种杂原子的二维无定形单层材料，正如研究者对聚噻吩（PTH）和聚咔唑（PCZ）二维单层材料的初步研究所展示的那样。

该空间限制生长方法的多功能性和广泛适用性，为拓展二维无定形材料库开辟了新的途径。

据不完全统计， 北京航空航天大学 自2024年以来，已发表2篇 Nature ，今天是第三篇。

Bai, X., Hu, P., Li, A.et al. Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07958-0

原文链接 ： https://www.nature.com/articles/s41586-024-07958-0