一、【导读】
在蜂窝状晶格中引入非六边形单元的拓扑结构可以显著改变sp2碳网络的电子和机械特性，从而提供类似于无序超均匀性系统的可调特性。最近的研究进展包括利用激光辅助化学气相沉积（CVD）合成由5-6-7-8元环混合层叠组成的单层无定形碳，在偏离热力学平衡的条件下，分解气态前驱体产生的碳原子组装成无定形晶格。在另一项研究中，Tian等人通过在低温CVD过程中调节热解温度，证明了对单层无定形碳无序程度的精确控制，从而实现了对材料宏观导电性的调节。其中，二维无定形碳网络也为研究与掺杂化学相关的电子定位提供了机会。在保持体系sp2部分的同时，将杂质原子掺入到应变碳框架中提供了一个有别于三维无定形碳的平台，而三维无定形碳的特性通常由罗伯逊模型来解释。然而，具有扭曲环的平面碳结构在热力学上是易变的，这给此类材料的可控合成带来了巨大挑战。传统的CVD高温分解往往有利于C-C键的形成，同时抑制了掺杂剂加入sp2碳晶格。因此，与液相合成相比，化学气相沉积通常需要严格的反应条件。
二、【成果掠影】
在此，北京航空航天大学郭林教授和刘利民教授，中国科学院大学周武教授，国家纳米科学中心裘晓辉研究员，清华大学谷林教授等人（共同通讯作者）报道了利用空间封闭溶液相合成法制备掺氮无定形单层碳（NAMC），作者使用层状双氢氧化物（LDHs）的纳米片作为可移动模板，并使用含氮分子作为前驱体。传统的溶液相合成法在制备独立碳材料时会遇到障碍，因为构件之间存在错综复杂的相互作用、连接成分的空间灵活性以及反应产物的溶解性较差，但在LDH夹层或基底表面和气-液或液-液界面上的模板反应可以通过强制构筑模块的平面内排列和组装来规避这些挑战，从而促进共价框架的后续构建。与化学气相沉积法相比，这种基于溶液的方法可以选择更多的候选前驱体，并有望实现杂原子在sp2碳基质中的可控掺入，而由于掺杂原子在高温下的氧化还原活性，这对化学气相沉积法来说具有挑战性，通过进一步合成聚噻吩（PTH）和聚咔唑（PCZ） 的二维无定形单层，证明了这种封闭生长方法的多功能性。
相关研究成果以“Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon”为题发表在Nature上。
三、【核心创新点】
1.展示了通过在可移动层状双氢氧化物模板的密闭层间空腔内聚合吡咯，用溶液制备出具有五元、六元和七元混合环（5-6-7元环）的独立氮掺杂无定形单层碳。
2.利用固体模板和离子交换策略进行的空间限制自由基聚合显示出了作为获得二维共价网络的通用合成方法的潜力，聚噻吩和聚咔唑单层的成功合成就是例证。
四、【数据概览】
图1 NAMC的结构表征© 2024 Springer Nature
图2 从吡咯分子中得到的含有5-6-7元环的NAMC的形成过程。© 2024 Springer Nature
图3 通过EFM和光谱学对SiOx衬底上的NAMC的电学表征© 2024 Springer Nature
五、【成果启示】
综上所述，作者通过在溶液中对含N分子进行限制聚合，成功合成了 NAMC。这种掺杂N的石墨化无定形碳可作为掺杂N的石墨烯的重要替代品，并为研究N的化学状态与碳纳米材料的定制特性之间的相关性提供了一个多功能平台。初步研究结果显示，限制聚合策略可以扩展到合成含有各种杂原子的二维非晶单层，这种限制生长方法的多功能性和广泛适用性可为扩大二维非晶材料库铺平一条新的道路。
文献链接：“Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon”（Nature，2024，10.1038/s41586-024-07958-0）
本文由材料人CYM编译供稿。
