近日，中國科學技術大學杜平武教授課題組提出了彎曲大共軛碳納米管片段結構合成的新策略，首次實現了利用納米管稠環封端“帽子”模板構建縱向切割的納米管彎曲片段。該工作通過精確設計，利用彎曲型環己烷分子通過鎳催化的偶聯反應，巧妙地構建了三維納米籠結構，隨后通過芳香化反應，合成了基于納米石墨烯單元封口的鋸齒型碳納米管片段。該研究成果以“A Three-Dimensional Capsule-like Carbon Nanocage as a Segment Model of Capped Zigzag [12, 0] Carbon Nanotubes: Synthesis, Characterization, and Complexation with C70”?為題發表在《德國應用化學(Angewandte Chemie International Edition)》上(DOI:10.1002/anie.201804031)。
碳納米管是一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，組成碳納米管的?C=C?共價鍵是自然界中最穩定的化學鍵之一，呈現出許多優越的力學、電學和化學性能。具有單一尺寸和手性的碳納米管材料在納米科技、能源化學和電子學領域有著重要的應用潛力，但是合成長度和尺寸單一的碳納米管是合成化學和材料化學的一個重要挑戰。從精確結構控制的角度考慮，利用自下而上的方法是控制制備碳納米管的理想策略之一，典型的環對苯撐結構可以看作是扶手椅型碳納米管的最短片段，可作為制備碳納米管的理想前體或模板，近幾年受到了科研人員廣泛的關注。然而對于碳納米管的另一主要類型-鋸齒型碳納米管的前體或模板的研究卻十分有限，主要由于鋸齒型碳納米管的最短片段環并苯的合成仍是一個巨大的難題，目前尚未見報道。合理設計構建碳納米管片段，可作為制備超純碳納米管的理想前體或模板，對其骨架進行π-共軛延伸，可望得到結構和性質上接近碳納米管的新型功能材料。
該研究組基于前期在碳納米管片段新結構合成方面的系列工作，通過過渡金屬鈀、鎳等催化的偶聯反應連接彎曲稠環共軛片段前體，成功合成了以兩個石墨烯單元（六苯并蔻）為封端“帽子”的鋸齒型[12,0]碳納米管彎曲共軛片段，首次提出了縱向切割碳納米管構建基元的策略（下圖）。研究人員還通過與中國科學技術大學楊上峰教授和浙江工業大學莊桂林教授合作，結合理論模擬計算，研究了其與富勒烯C70之間選擇性超分子相互作用，發現其與C70之間存在1：1的選擇性結合現象。這種通過三個彎曲型分子連接兩個石墨烯單元方法可直接得到納米籠狀結構，為構建封端鋸齒型碳納米管提供了新思路。論文的第一作者為中科大化學與材料科學學院材料系的在讀博士研究生崔勝勝。
利用納米管稠環封端“帽子”模板構建縱向切割的納米管彎曲片段
上述研究工作得到科技部、能源材料化學協同創新中心、國家自然科學基金委面上項目等的支持。
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