单壁碳纳米管的新型长共轭结构被中科大实现

近日，中国科学技术大学教授杜平武课题组通过精确分子设计，合成出单一手性指数单壁碳纳米管的长共轭链段，并研究了其电子传输和空穴传输性质。

获悉，本次研究团队的结果实现了合成特定直径的单壁碳纳米管的新型长共轭结构，为制备超纯单壁碳纳米管提供了相应的共轭高分子模板，也为溶液法构建单一手性碳纳米管的制备和性质研究提供了重要借鉴。

目前，碳纳米管可被认为是仅包含 sp2 键合原子的全碳基管状共轭聚合物，然而迄今为止，直径特定的碳纳米管片段长共轭聚合物尚无研究报道。

具有单一直径和手性的纯碳纳米管材料在纳米科技和电子学领域有着重要的应用潜力，但是合成这样的碳纳米管是合成化学和材料化学领域的一个重要挑战。催化剂表面介导生长的方法在制备碳纳米管方面表现出巨大潜力，然而纳米管纯度始终是个难以克服的问题。从精确结构控制的角度考虑，利用自下而上的方法是制备单一手性高纯度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，对其结构进行长共轭延伸，有望得到结构上接近碳纳米管的新型功能材料。

在该工作中，研究人员将双功能化结构引入到弯曲共轭小分子碳环上，通过镍催化的偶联反应使该片段实现了延伸，构建出直径确定的[8,8]单壁碳纳米管长共轭链段，利用凝胶渗透色谱、核磁、红外和拉曼光谱等表征手段证实成功合成了碳纳米管的长共轭聚合物。利用广角射线衍射测试发现聚合物固体薄膜具有明显的衍射环，表现出一定的结晶度。对比单体和共轭聚合物的吸收、荧光和荧光衰减曲线，发现由于其共轭程度的增加也大大提升了聚合物的光物理性质。载流子迁移率测试结果表明，该聚合物同时具有传输电子和空穴的能力，分别为μe～2.0 × 10-5 cm2·V-1·S-1 和 μh～1.2 × 10-5 cm2·V-1·S-1。该长共轭链段是世界上首例在结构上接近扶手椅型单壁碳纳米管的共轭高分子化合物。

此外，该项研究得了到国家自然科学基金委、科技部、合肥微尺度物质科学国家研究中心和能源材料化学前沿协同创新中心的资助。