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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

中國(guó)科大在單一手性碳納米管的長(zhǎng)共軛結(jié)構(gòu)合成方面取得進(jìn)展

2019-12-11 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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語(yǔ)音播報(bào)

　　具有單一直徑和手性的純碳納米管材料在納米科技和電子學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力，但是合成這樣的碳納米管是合成化學(xué)和材料化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。催化劑表面介導(dǎo)生長(zhǎng)的方法在制備碳納米管方面表現(xiàn)出巨大潛力，然而納米管純度始終是個(gè)難以克服的問(wèn)題。從精確結(jié)構(gòu)控制的角度考慮，利用自下而上的方法是制備單一手性高純度碳納米管的理想策略之一，典型的環(huán)對(duì)苯撐結(jié)構(gòu)可以看作是扶手椅型碳納米管的最短片段，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)共軛延伸，有望得到結(jié)構(gòu)上接近碳納米管的新型功能材料。

　　在該工作中，研究人員基于前期在碳納米管新結(jié)構(gòu)合成和物理性質(zhì)方面的系列工作，巧妙地將雙功能化結(jié)構(gòu)引入到彎曲共軛小分子碳環(huán)上。隨后，通過(guò)鎳催化的偶聯(lián)反應(yīng)使該片段實(shí)現(xiàn)了在一維方向上的延伸，構(gòu)建出直徑確定的[8,8]單壁碳納米管長(zhǎng)共軛鏈段（圖2a），利用凝膠滲透色譜、核磁、紅外和拉曼光譜等表征手段證實(shí)成功合成了碳納米管的長(zhǎng)共軛聚合物（圖2b-2d）。利用廣角射線衍射測(cè)試發(fā)現(xiàn)聚合物固體薄膜具有明顯的衍射環(huán)，表現(xiàn)出一定的結(jié)晶度。對(duì)比單體和共軛聚合物的吸收、熒光和熒光衰減曲線，發(fā)現(xiàn)由于其共軛程度的增加也大大提升了聚合物的光物理性質(zhì)。載流子遷移率測(cè)試結(jié)果表明，該聚合物同時(shí)具有傳輸電子和空穴的能力，分別為μ_e～2.0 × 10^-⁵ cm²·V^-¹·S^-¹和 μ_h～1.2 × 10^-⁵ cm²·V^-¹·S^-¹（圖2e-2f）。該長(zhǎng)共軛鏈段是世界上首例在結(jié)構(gòu)上接近扶手椅型單壁碳納米管的共軛高分子化合物。本文報(bào)道的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了合成特定直徑的單壁碳納米管的新型長(zhǎng)共軛結(jié)構(gòu)，為制備超純單壁碳納米管提供了相應(yīng)的共軛高分子模板，也為溶液法構(gòu)建單一手性碳納米管的制備和性質(zhì)研究提供了重要借鑒。

　　中國(guó)科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系博士生黃強(qiáng)為文章的第一作者，杜平武為論文的唯一通訊作者，理論計(jì)算部分由浙江工業(yè)大學(xué)副教授莊桂林完成，載流子傳輸性質(zhì)是與中國(guó)科大教授楊上峰合作完成的。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和能源材料化學(xué)前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。

　　文章鏈接

圖1. 成果入選的雜志封面

　　圖2. 單一手性碳納米管的長(zhǎng)共軛鏈段結(jié)構(gòu)PS1及其性質(zhì)研究。(a)PS1的結(jié)構(gòu)及其在溶液中發(fā)光；(b-d) PS1的凝膠滲透色譜、紅外和拉曼光譜表征以及與單體8對(duì)比結(jié)果；(e-f) PS1中的載流子輸運(yùn)性質(zhì)，兼具電子傳輸和空穴傳輸性能。

　　碳納米管可被認(rèn)為是僅包含sp2鍵合原子的全碳基管狀共軛聚合物，然而迄今為止，直徑特定的碳納米管片段長(zhǎng)共軛聚合物尚無(wú)研究報(bào)道。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜平武課題組通過(guò)精確分子設(shè)計(jì)，合成出單一手性指數(shù)單壁碳納米管的長(zhǎng)共軛鏈段，并研究了其電子傳輸和空穴傳輸性質(zhì)。該工作以A Long π-Conjugated Poly(para-Phenylene)-Based Polymeric Segment of Single-Walled Carbon Nanotubes 為題，以封面文章的形式發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》雜志上（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 48, 18938-18943）。
　　具有單一直徑和手性的純碳納米管材料在納米科技和電子學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力，但是合成這樣的碳納米管是合成化學(xué)和材料化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。催化劑表面介導(dǎo)生長(zhǎng)的方法在制備碳納米管方面表現(xiàn)出巨大潛力，然而納米管純度始終是個(gè)難以克服的問(wèn)題。從精確結(jié)構(gòu)控制的角度考慮，利用自下而上的方法是制備單一手性高純度碳納米管的理想策略之一，典型的環(huán)對(duì)苯撐結(jié)構(gòu)可以看作是扶手椅型碳納米管的最短片段，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)共軛延伸，有望得到結(jié)構(gòu)上接近碳納米管的新型功能材料。
　　在該工作中，研究人員基于前期在碳納米管新結(jié)構(gòu)合成和物理性質(zhì)方面的系列工作，巧妙地將雙功能化結(jié)構(gòu)引入到彎曲共軛小分子碳環(huán)上。隨后，通過(guò)鎳催化的偶聯(lián)反應(yīng)使該片段實(shí)現(xiàn)了在一維方向上的延伸，構(gòu)建出直徑確定的[8,8]單壁碳納米管長(zhǎng)共軛鏈段（圖2a），利用凝膠滲透色譜、核磁、紅外和拉曼光譜等表征手段證實(shí)成功合成了碳納米管的長(zhǎng)共軛聚合物（圖2b-2d）。利用廣角射線衍射測(cè)試發(fā)現(xiàn)聚合物固體薄膜具有明顯的衍射環(huán)，表現(xiàn)出一定的結(jié)晶度。對(duì)比單體和共軛聚合物的吸收、熒光和熒光衰減曲線，發(fā)現(xiàn)由于其共軛程度的增加也大大提升了聚合物的光物理性質(zhì)。載流子遷移率測(cè)試結(jié)果表明，該聚合物同時(shí)具有傳輸電子和空穴的能力，分別為μe～2.0 × 10-5 cm2·V-1·S-1和 μh～1.2 × 10-5 cm2·V-1·S-1（圖2e-2f）。該長(zhǎng)共軛鏈段是世界上首例在結(jié)構(gòu)上接近扶手椅型單壁碳納米管的共軛高分子化合物。本文報(bào)道的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了合成特定直徑的單壁碳納米管的新型長(zhǎng)共軛結(jié)構(gòu)，為制備超純單壁碳納米管提供了相應(yīng)的共軛高分子模板，也為溶液法構(gòu)建單一手性碳納米管的制備和性質(zhì)研究提供了重要借鑒。
　　中國(guó)科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系博士生黃強(qiáng)為文章的第一作者，杜平武為論文的唯一通訊作者，理論計(jì)算部分由浙江工業(yè)大學(xué)副教授莊桂林完成，載流子傳輸性質(zhì)是與中國(guó)科大教授楊上峰合作完成的。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和能源材料化學(xué)前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。
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　　圖1. 成果入選的雜志封面
　　圖2. 單一手性碳納米管的長(zhǎng)共軛鏈段結(jié)構(gòu)PS1及其性質(zhì)研究。(a)PS1的結(jié)構(gòu)及其在溶液中發(fā)光；(b-d) PS1的凝膠滲透色譜、紅外和拉曼光譜表征以及與單體8對(duì)比結(jié)果；(e-f) PS1中的載流子輸運(yùn)性質(zhì)，兼具電子傳輸和空穴傳輸性能。

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