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On-Surface Synthesis of Carbon Nanostructures

近年来,新颖碳纳米材料因其在科技领域的广泛应用而引起人们的极大关注。无论在生命化学还是有机化学中,碳的结合方式都非常独特,碳元素可通过不同杂化态(sp1sp2sp3)分别形成直线型、平面型、四面体型结构,这种特殊的性质使碳纳米材料的结构和种类十分丰富。在过去的30年里,连续的一系列发现和科学突破,使对碳材料的许多设想得以实现。由于传统的溶液化学在构建新颖碳纳米材料方面有诸多的限制,难以达到预期目标,科学家们由此开始尝试表面合成法,为原子级精准制备碳纳米材料提供了有效的路径。On-Surface Synthesis of Carbon Nanostructures

近日,同济大学许维教授课题组在Advanced Materials期刊上发表了题为On-SurfaceSynthesis of Carbon Nanostructures的综述文章,该文章从基本的概念和表面合成领域的进展出发系统性的总结了通过表面合成方法制备一系列原子级精准的低维碳纳米结构,包括石墨烯衍生的多孔石墨烯、石墨烯纳米带、单手性的碳纳米棒以及含有炔基和有机金属碳链的新型碳纳米结构(如金属卡拜)等,为未来表面合成技术的发展提供一定的参考。

在文章中,作者从零维、一维和二维的角度分别总结了三种类型的低维碳纳米材料自下而上的表面合成方法。在零维碳纳米材料合成方面,具体介绍了通过表面催化脱氢环化制备零维富勒烯;金属催化打开C60分子合成一系列原子级的石墨烯量子点;表面前驱体分子通过还原或脱氢环化过程制备不同长度并苯等。对于一维材料,主要介绍了通过前驱体分子脱卤后碳碳偶联制备具有不同边界结构的石墨烯纳米带;通过表面催化脱氢环化合成单手性无缺陷的单壁碳纳米管;通过脱氢/脱卤的碳碳偶联反应在表面合成多种以碳为主的一维分子链,同时对这些新颖碳纳米结构具有的新奇物理化学性质进行了介绍。在二维碳纳米结构方面,由于二维共价有机纳米结构具有可调节的电子特性在未来纳米科技应用领域有着广泛的应用前景,该文章在这里重点介绍了利用三聚化、脱卤偶联和直接碳氢活化等反应合成具有高的化学稳定性和机械稳定性的二维表面碳纳米结构。最后,论文还分析了目前利用表面方法合成新颖碳纳米材料仍存在的一些问题与挑战,提出了相应的解决策略并对以后的发展方向进行了展望,为未来合成产量高、能够为实际所应用的新颖碳纳米材料提供了新思路。 

Qiang Sun, Renyuan Zhang, Jun Qiu, RuiLiu, Wei Xu,On-surfacesynthesis of carbon nanostructures, Advanced Materials, (2018), DOI:10.1002/adma.201705630

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参考文献:Advanced Materials

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