首例石墨炔纳米带的可控化学合成

石墨炔（GDY）具有丰富的碳化学键，高π共轭性、宽面间距、均匀分散的孔道构型、天然带隙、优异的化学和热稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。其在新能源、催化、光电转换等领域表现出巨大的应用潜力。理论预测随着维度的降低，石墨炔的性能会受到很大的调控。

一维石墨炔纳米带的能带结构与边沿结构、带宽有关，石墨炔纳米带的带隙随纳米带宽度增加而减小，因此石墨炔纳米带在研究纳米尺度电子器件方面具有重要的意义。

合成石墨炔纳米带有两种思路，一种是“自上而下”法，另一种是“自下而上”法。“自上而下”的思路例如从石墨炔上进行切割，会导致制备所得的石墨炔纳米带的宽度和边缘结构不确定。而“自下而上”的化学合成方法可制备出结构确定、宽度均一的石墨炔纳米带。但在合成过程中必须控制乙炔基的选择性逐步偶联，“自下而上”法合成石墨炔纳米带仍旧是一个挑战。

图1. 石墨炔纳米带示意图及逆合成分析。

图2. 逐步分子间和分子内Glazer-Hay 偶联反应合成石墨炔纳米带。

近日，中国科学院化学研究所李玉良院士和李勇军研究员（通讯作者）报道了一种“两步法”策略制备石墨炔纳米带。如图1所示的逆合成分析，首先进行单体中心位置的乙炔基的聚合以保证石墨炔纳米带的一维结构。然后在液-液界面的辅助下进行相邻侧链上的乙炔基的分子内偶联，其中位于边缘的大体积的3,5-二叔丁基苯基所提供的位阻可进一步减少分子间的偶联。

通过上述策略成功制备了首例化学合成的石墨炔纳米带（图1），其由苯环和丁二炔基构成的菱形组成，具备均一的宽度（～4 nm）和达几百纳米的长度。作者还研究了石墨炔纳米带的组装，其通过π-π相互作用可编织成纳米织物状薄膜，可用于构建锂离子电池中锂电极的保护膜，可以有效抑制锂支晶的形成，提高锂离子电池的稳定性。

图3. 石墨炔纳米带的结构表征和组装行为。

这种“自下而上”的合成方法同样适用于制备其他不同宽度和不同边缘结构如凹状或锯齿状的石墨炔纳米带。此外通过在纳米带外边缘上接枝不同的功能基团可对石墨炔纳米带的电学和光学性质进行调控，进而在电子器件、能量转化和能量储存等领域开发出更多的潜在应用。