石墨烯納米帶（Graphene Nanoribbons, GNRs）是一類寬度介于 1–100 nm 的一維石墨烯衍生物，因量子限域效應而展現出獨特的電學、光學和磁學特性，被視為下一代納米電子器件和高靈敏傳感器的理想材料。GNR 的電子結構與其帶寬、邊緣類型及雜原子摻雜方式密切相關。實現對這些結構參數的精準調控，是推動其器件化應用的核心挑戰。目前，“自下而上”的合成策略（包括表面合成與溶液合成）雖能在原子級實現結構設計，但仍存在難以規模化、產率有限、納米帶長度受限等問題，制約了其在實際器件中的推廣應用。因此，發展一種兼具結構可控性、尺寸均一性與可擴展性的合成新方法，成為該領域亟待突破的關鍵科學問題。拓撲化學以晶格為模板，通過固定分子空間排列，實現反應的高選擇性和精確結構控制，為功能材料的制備提供了一種可控、高效的固態合成策略。北京高壓科學研究中心李闊、鄭海燕課題組長期致力于研究高壓條件下不飽和碳基分子的拓撲聚合反應，開發了基于二苯基丁二炔分子的拓撲脫氫狄爾斯-阿爾德反應(Dehydro-Diels-Alder reaction DDA)，合成了具有sp³-C(-H) 的晶態[8]-armchair型石墨烯納米帶。

近日，北京高壓科學研究中心李闊研究員團隊和香港大學陳粵教授團隊利用高壓拓撲化學反應，在原子級精度上實現了氮與sp³碳共摻雜的GNR合成，并實現了帶隙的可控調控。針對石墨烯納米帶可控帶隙調控的挑戰，研究團隊通過理論計算發現，在[8]-armchair型石墨烯納米帶（[8]-AGNR）中，有序引入氮原子（N）和sp³-C(-H) 基團可在0–2.85 eV范圍內實現帶隙的準連續可調。這種“氮摻雜+sp³碳屏障”協同設計，為構建“可編輯”能帶結構的碳納米材料提供了新思路。基于此思路，團隊利用之前開發的高壓拓撲化學DDA反應，從結晶的吡啶基和嘧啶基二炔前驅體出發，在室溫和高壓條件下一步合成了三種具有不同摻雜結構的[8]-AGNR，其中氮含量最高達27 wt%。通過光譜學、衍射、透射電鏡、對分布函數以及固態核磁共振等多手段表征，研究者系統揭示了產物的有序結構與電子結構之間的內在關聯。UV–vis–NIR漫反射結果明確顯示摻雜位置和比例的變化可調節材料的帶隙寬度。該研究展示了高壓拓撲化學反應在原子級精準摻雜與能帶工程中的強大潛力，為可規模化制備結構特定、性質可控的碳基納米材料提供了一條全新途徑。

Bandgap Engineering of Graphene Nanoribbon via High-Pressure Topochemical Synthesis

Dr. Peijie Zhang, Yunfan Fei, Qingchao Zeng, Jingqin Xu, Fang Li, Jianjun Mao, Chengliang Xia, Dr. Yue Chen, Drs. Jie Liu, Yajie Wang, Drs. Xiaoge Wang, Jing Ju, Liangliang Meng, Dr. Hongcun Bai, Dr. Hongliang Dong, Xingyu Tang, Dexiang Gao, Xuan Wang, Xiao Dong, Ho-kwang Mao, Haiyan Zheng, Dr. Kuo Li

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202510339