杜平武课题组JACS:单一手性碳纳米管的长共轭结构合成方面取得进展

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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。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。该工作以A Long π-Conjugated Poly(para-Phenylene)-Based Polymeric Segment of Single-Walled Carbon Nanotubes 为题，以封面文章的形式发表于《美国化学会志》杂志上（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 48, 18938-18943）。

单一手性碳纳米管

　　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，研究人员基于前期在碳纳米管新结构合成和物理性质方面的系列工作，巧妙地将双功能化结构引入到弯曲共轭小分子碳环上。随后，通过镍催化的偶联反应使该片段实现了在一维方向上的延伸，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。本文报道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。
　　中国科大化学与材料科学学院材料科学与工程系博士生黄强为文章的第一作者，杜平武为论文的唯一通讯作者，理论计算部分由浙江工业大学副教授庄桂林完成，载流子传输性质是与中国科大教授杨上峰合作完成的。该项研究得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。


       杜平武，中国科学技术大学教授，博士生导师，是国家中组部首批青年##计划入选者。归国前在美国阿贡国家实验室任阿贡学者（院长奖研究员）。杜平武教授于 2001 年在武汉大学化学与分子工程学院获得理学学士学位，2001-2004 年在中科院理化技术研究所硕士研究生学习，于2004 年赴美攻读博士学位，2009 年博士毕业于美国罗彻斯特大学(University of Rochester)，导师是无机化学家，美国科学院院士Richard Eisenberg 教授；随后2009-2011 年在麻省理工学院（MIT）跟随美国科学院院士Stephen J. Lippard 教授做博士后研究。 杜平武教授目前是“ISRN Physical Chemistry”杂志编委，两次获得美国国家级奖励，包括American Chemical Society (ACS) Nobel Laureate Signature Award （美国化学会诺贝尔签名奖，美国化学会颁发的博士生最高荣誉，每年仅颁发一人及其导师）和ACS Young Investigator Award (美国化学会青年科学家奖，每年仅颁发5-6 人)。同时，在2008 年获得中国政府颁发的海外留学生奖－国家优秀自费留学生奖学金。杜平武教授具有多年从事材料化学，物理化学和配位化学的研究工作，在材料合成，配体与金属的反应，结构及性质的表征，催化化学等领域都有很好的工作基础；曾参与美国国家自然科学基金，美国能源部，和美国国立卫生研究院的研究课题，及美国阿贡国家实验室院长奖研究员科研基金的课题，在这些项目的研究中都取得了重要的研究成果，在国际重要学术期刊上发表论文 30 多篇（其中Chem.Soc.Chem. 1篇，JACS  7 篇，Inorganic Chemistry 7  篇，Chemical Science 1 篇，Energy & Environmental Science 2  篇），论文至今被引用800 多次，发表论文的影响因子总和超过100。