功能化石墨烯分子及其组装

Graphene is two dimensional honeycomb carbon single layer. Graphene has outstanding electronic, mechanical and optical properties and shows promising potential on electronics, sensing, and catalysis. Functionalization of graphene can not only modulate its properties, but also render it new functions. However, most of functional graphene materials suffer from their ill-defined structures, and are difficult to achieve structure-correlated property modulation，because of ill-defined structure of the parent graphene and lack of precise functionalization protocols. Graphene molecules are a category of graphene materials with well-defined structure, as a new class of carbon cluster, considered as the ideal model of graphene at the molecular level. Well-defined functionalization of graphene molecules can not only afford the atomically precisely functionalized graphene, but also reveals the functional structure of graphene at the molecular level. By designing the functional groups of graphene molecules, the energy level and geometrical structure of graphene molecules can be well tuned, and thus we can modulate the supramolecular assembly of functional graphene materials. In terms of self-assembly, the graphene-molecule-based supramolecule can be obtained, which is possible to realize novel properties and potential applications.

石墨烯是蜂窝状二维碳单原子层，具有独特的电学、力学、光学等性能；在电子、传感、催化等方面，石墨烯表现出了诱人的应用前景。对于石墨烯，对其进行功能化是调控其性质及赋予其新功能的重要手段。然而，大多数石墨烯的功能化存在着结构不明确，难以确切表征的难题，导致其构效关系不明确。这一方面是由于石墨烯材料结构自身的不确定性导致的，另一方面是缺乏精确的功能化方法。石墨烯分子是一类具有确定分子结构的石墨烯，作为新的一类碳团簇，是石墨烯在分子尺度的理想模型。石墨烯分子的精确功能化，不但能获得具有确定分子结构的功能化石墨烯材料，也可以在分子水平上研究石墨烯的功能化结构，明确其构效关系。通过对功能化结构的设计及调控，可以理性地调控分子石墨烯的分子能级、几何结构等性质，调控其超分子组装特性，实现石墨烯分子超分子组装体，并通过组装实现单一组分无法实现的性能。

石墨烯分子是一类通过自下而上、从头合成、具有结构确定石墨烯材料。通过功能修饰可以调控石墨烯分子的几何及电子结构。利用功能化石墨烯分子进行超分子组装，可以获得结构新颖的富碳超分子材料，实现单一基元无法获得的性能。该研究可提供一类结构确定、性能可调的分子碳材料。通过四年的研究工作，本项目发展了几种精确石墨烯分子功能化方法，包括：选择性C-N偶联、Se环化、选择性氧化等。以获得的功能化石墨烯分子作为基元，构筑了系列原创性的富碳超分子组装体，例如：分子双层石墨烯、分子双层碳锥、可翻转的碗烯组装体、三元分子碳组装体等。项目也成功通过超分子组装实现了超越单体的新性能，包括：铁电性能、全光谱吸收、声致氧敏化、分子纳滤等。这些研究成果不但合成了结构精准的功能化石墨烯分子，而且展示了石墨烯分子独特的超分子组装特性和光、电性能，为其在有机微电子、光学材料等方面的应用奠定了基础。进一步，这些对石墨烯分子的精准的结构和构效关系的认识，也为理解和设计新颖碳纳米材料提供理论依据和研究思路。相关工作，已整理发表论文十五篇，其中包括化学重要期刊JACS、Angew. Chem.、Nat. Commun.、Sci. Adv.等七篇。在项目实施的过程中培养了五名博士研究生及六名硕士研究生。