近日，中国科学技术大学杜平武教授课题组提出了弯曲大共轭碳纳米管片段结构合成的新策略，首次实现了利用纳米管稠环封端“帽子”模板构建纵向切割的纳米管弯曲片段。该工作通过精确设计，利用弯曲型环己烷分子通过镍催化的偶联反应，巧妙地构建了三维纳米笼结构，随后通过芳香化反应，合成了基于纳米石墨烯单元封口的锯齿型碳纳米管片段。该研究成果以“A Three-Dimensional Capsule-like Carbon Nanocage as a Segment Model of Capped Zigzag [12, 0] Carbon Nanotubes: Synthesis, Characterization, and Complexation with C70” 为题发表在《德国应用化学(Angewandte Chemie International Edition)》上(DOI:10.1002/anie.201804031)。
碳纳米管是一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，组成碳纳米管的 C=C 共价键是自然界中最稳定的化学键之一，呈现出许多优越的力学、电学和化学性能。具有单一尺寸和手性的碳纳米管材料在纳米科技、能源化学和电子学领域有着重要的应用潜力，但是合成长度和尺寸单一的碳纳米管是合成化学和材料化学的一个重要挑战。从精确结构控制的角度考虑，利用自下而上的方法是控制制备碳纳米管的理想策略之一，典型的环对苯撑结构可以看作是扶手椅型碳纳米管的最短片段，可作为制备碳纳米管的理想前体或模板，近几年受到了科研人员广泛的关注。然而对于碳纳米管的另一主要类型-锯齿型碳纳米管的前体或模板的研究却十分有限，主要由于锯齿型碳纳米管的最短片段环并苯的合成仍是一个巨大的难题，目前尚未见报道。合理设计构建碳纳米管片段，可作为制备超纯碳纳米管的理想前体或模板，对其骨架进行π-共轭延伸，可望得到结构和性质上接近碳纳米管的新型功能材料。
该研究组基于前期在碳纳米管片段新结构合成方面的系列工作，通过过渡金属钯、镍等催化的偶联反应连接弯曲稠环共轭片段前体，成功合成了以两个石墨烯单元（六苯并蔻）为封端“帽子”的锯齿型[12,0]碳纳米管弯曲共轭片段，首次提出了纵向切割碳纳米管构建基元的策略（下图）。研究人员还通过与中国科学技术大学杨上峰教授和浙江工业大学庄桂林教授合作，结合理论模拟计算，研究了其与富勒烯C70之间选择性超分子相互作用，发现其与C70之间存在1：1的选择性结合现象。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元方法可直接得到纳米笼状结构，为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。论文的第一作者为中科大化学与材料科学学院材料系的在读博士研究生崔胜胜。
利用纳米管稠环封端“帽子”模板构建纵向切割的纳米管弯曲片段
上述研究工作得到科技部、能源材料化学协同创新中心、国家自然科学基金委面上项目等的支持。
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