摘要：纳米石墨烯作为石墨烯的有限尺寸模型，在纳米电子学、光电子学和自旋电子学等领域有广泛的潜在应用。杂原子掺杂是调控纳米石墨烯电子结构的有效策略，目前通过自下而上的合成，已能精准制备含硼、氮、氧、硫、硒等杂原子的纳米石墨烯，并可控制分子尺寸、边缘结构、取代基及掺杂浓

纳米石墨烯作为石墨烯的有限尺寸模型，在纳米电子学、光电子学和自旋电子学等领域有广泛的潜在应用。杂原子掺杂是调控纳米石墨烯电子结构的有效策略，目前通过自下而上的合成，已能精准制备含硼、氮、氧、硫、硒等杂原子的纳米石墨烯，并可控制分子尺寸、边缘结构、取代基及掺杂浓度与位置。相比于杂原子掺杂，纳米石墨烯的精准金属掺杂的概念还未被正式提出。虽然目前有基于金属-碳π或σ键的纳米石墨烯金属配合物、外围掺杂氮原子作为配位点的纳米石墨烯金属配合物、以及四吡咯金属卟啉-纳米石墨烯稠合体系的报道，但是仍然缺乏一个通用的纳米石墨烯配体平台，来实现在纳米石墨烯碳骨架上的直接金属掺杂。

图1. 纳米石墨烯配体HBCP精准掺杂金属示意图

最近，北京师范大学柯贤胜课题组经过四年多的努力，发展了一类新型的纳米石墨烯配体HBCP，并且实现了11族金属铜银金的精准掺杂。该工作将二吡咯甲烷片段引入经典的纳米石墨烯——六苯并蔻（HBC）骨架，成功合成具有-3价空腔的纳米石墨烯配体HBCP。光谱和理论计算表明，HBCP呈现出弱反芳香性。经过多种尝试，成功合成了HBCP与三价铜、银、金阳离子的金属配合物HBCP-M，并且进行了完备的结构表征。单晶结构显示，配位金属后，分子骨架从弯曲构型转变为近似平面，且金属化后体系反芳香性有所减弱。激发态动力学研究表明，HBCP中观察到的快速的双指数衰减与体系的反芳香性相符，相比之下HBCP-M在没有荧光发射的情况下呈现数百皮秒的相对较长的单指数衰减，这归因于它们存在有效的金属-配体相互作用（LMCT）。HBCP与HBCP-M激发态动力学的显著差异表明金属-配体相互作用可显著扰动纳米石墨烯配体的π电子结构。

图2. HBCP与11族金属配合物的合成

图3. 纳米石墨烯金属配合物HBCP-M的结构表征

总之，这项工作首次明确提出了在分子层面纳米石墨烯精准金属掺杂的概念，可以将不同大小的金属离子可控地插入到纳米石墨烯碳骨架上，为开发结构、电子特性及化学性质可调的新型纳米石墨烯材料奠定了基础。后续将在更长和更大的纳米石墨烯碳骨架上精准掺杂金属离子并且研究其性能。该工作得到了Prof. Juwon Oh课题组，Prof. Jiwon Kim课题组和Prof. Jonathan Sessler课题组，在超快光谱，理论计算和晶体解析等方面的大力支持。相关成果近期发表于《自然-通讯》: Precisely metal doped nanographenes via a carbaporphyrin approach.Nat. Commun. 2025, 16 (1), 1534。北京师范大学是该工作的第一单位；化学学院2021级博士生何浩丹为论文的第一作者；该工作受到国家自然科学基金、北京师范大学启动经费的支持。

来源：小材科研