我院谢素原院士、张前炎教授课题组在纳米石墨烯氮原子精准掺杂研究方面取得重要进展，相关结果以 “A Pyrrole-Fused Nanographene and its Edge-Perchlorinated Derivative Featuring a Corannulene Core and Five N-doped Heptagons”为题在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI：10.1002/anie.202420228）。
氮原子掺杂是一种既能保持纳米石墨烯π体系完整性，同时又能显著调控其物理化学性质的有效策略。此外，非六元环缺陷的引入会使平面纳米石墨烯几何结构扭曲以及电子结构的改变。然而，目前在纳米石墨烯中同时实现多个氮原子的精准掺杂以及多个缺陷的精确构筑仍然是一个极具挑战性的难题。
针对上述难题，该论文在以往合成弯曲纳米石墨烯（WNG）的研究基础上，通过十吡咯基碗烯的环融合反应，成功精准合成了以碗烯为核心的十氮杂负弯曲纳米石墨烯，命名为azaWNG。随后，研究团队通过氯化反应实现了azaWNG边缘的全氯化。由于精准掺杂了多达十个氮原子，并以缺电子的碗烯作为核心，azaWNG展现出极低的第一氧化电位，仅为–0.59 V，这使其成为迄今报道中最易被氧化的氮杂纳米石墨烯。因此，azaWNG能够高效地被单电子氧化剂AgPF6甚至大气中的氧气氧化，从而形成稳定的氧化态。此外，边缘全氯化不仅改善了azaWNG的溶解性，还提高了其化学稳定性，同时为精准表征其单晶结构提供了良好的条件。从结构上看，azaWNG的碗烯核心和外围十个聚合吡咯单元形似太阳花的花蕊和花瓣。
与以往报道的吡咯基融合纳米石墨烯相比， azaWNG具有推拉（D-A）电子结构，富电子聚吡咯结构极大地提高了其HOMO能级，而缺乏电子的碗烯核心则显著降低了LUMO能级。因此，azaWNG展现出相对较窄的HOMO-LUMO能隙。此外，在合成策略方面，课题组首次提出先构建边缘无修饰的氮掺杂纳米石墨烯，然后再进行后续功能化，这为精确合成和表征氮掺杂纳米碳材料提供了一种全新的方法。
该文章在我院张前炎教授、谢素原院士和郑兰荪院士的共同指导下完成，张雪鹏博士和陈佐长博士为共同第一作者，张前炎教授为唯一通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金委（22271238、92361303、92061204、21827801、92061000、21901217、21934004、21721001、22201209、91961113）等资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202420228
