北京航空航天大學，重磅Nature！

一、【導讀】

在蜂窩狀晶格中引入非六邊形單元的拓撲結構可以顯著改變sp²碳網絡的電子和機械特性，從而提供類似于無序超均勻性系統的可調特性。最近的研究進展包括利用激光輔助化學氣相沉積（CVD）合成由5-6-7-8元環混合層疊組成的單層無定形碳，在偏離熱力學平衡的條件下，分解氣態前驅體產生的碳原子組裝成無定形晶格。在另一項研究中，Tian等人通過在低溫CVD過程中調節熱解溫度，證明了對單層無定形碳無序程度的精確控制，從而實現了對材料宏觀導電性的調節。其中，二維無定形碳網絡也為研究與摻雜化學相關的電子定位提供了機會。在保持體系sp2部分的同時，將雜質原子摻入到應變碳框架中提供了一個有別于三維無定形碳的平臺，而三維無定形碳的特性通常由羅伯遜模型來解釋。然而，具有扭曲環的平面碳結構在熱力學上是易變的，這給此類材料的可控合成帶來了巨大挑戰。傳統的CVD高溫分解往往有利于C-C鍵的形成，同時抑制了摻雜劑加入sp²碳晶格。因此，與液相合成相比，化學氣相沉積通常需要嚴格的反應條件。

二、【成果掠影】

在此，北京航空航天大學郭林教授和劉利民教授，中國科學院大學周武教授，國家納米科學中心裘曉輝研究員，清華大學谷林教授等人（共同通訊作者）報道了利用空間封閉溶液相合成法制備摻氮無定形單層碳（NAMC），作者使用層狀雙氫氧化物（LDHs）的納米片作為可移動模板，并使用含氮分子作為前驅體。傳統的溶液相合成法在制備獨立碳材料時會遇到障礙，因為構件之間存在錯綜復雜的相互作用、連接成分的空間靈活性以及反應產物的溶解性較差，但在LDH夾層或基底表面和氣-液或液-液界面上的模板反應可以通過強制構筑模塊的平面內排列和組裝來規避這些挑戰，從而促進共價框架的后續構建。與化學氣相沉積法相比，這種基于溶液的方法可以選擇更多的候選前驅體，并有望實現雜原子在sp²碳基質中的可控摻入，而由于摻雜原子在高溫下的氧化還原活性，這對化學氣相沉積法來說具有挑戰性，通過進一步合成聚噻吩（PTH）和聚咔唑（PCZ） 的二維無定形單層，證明了這種封閉生長方法的多功能性。

相關研究成果以“Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.展示了通過在可移動層狀雙氫氧化物模板的密閉層間空腔內聚合吡咯，用溶液制備出具有五元、六元和七元混合環（5-6-7元環）的獨立氮摻雜無定形單層碳。

2.利用固體模板和離子交換策略進行的空間限制自由基聚合顯示出了作為獲得二維共價網絡的通用合成方法的潛力，聚噻吩和聚咔唑單層的成功合成就是例證。

四、【數據概覽】

圖1 NAMC的結構表征? 2024 Springer Nature

圖2 從吡咯分子中得到的含有5-6-7元環的NAMC的形成過程。? 2024 Springer Nature

圖3 通過EFM和光譜學對SiOx襯底上的NAMC的電學表征? 2024 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，作者通過在溶液中對含N分子進行限制聚合，成功合成了 NAMC。這種摻雜N的石墨化無定形碳可作為摻雜N的石墨烯的重要替代品，并為研究N的化學狀態與碳納米材料的定制特性之間的相關性提供了一個多功能平臺。初步研究結果顯示，限制聚合策略可以擴展到合成含有各種雜原子的二維非晶單層，這種限制生長方法的多功能性和廣泛適用性可為擴大二維非晶材料庫鋪平一條新的道路。

文獻鏈接：“Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon”（Nature，2024，10.1038/s41586-024-07958-0）

本文由材料人CYM編譯供稿。