近日，北京航空航天大学郭林教授与合作者在二维非晶材料可控合成领域取得重大进展，相关研究成果以“Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon”为题，于2024年9月25日发表于国际顶级期刊《自然》。
非晶材料具有长程无序的原子结构，其物理化学特性与晶体材料显著不同，在催化、光学、电学等领域有广泛的应用。然而，非晶材料原子尺度结构解析和构效关系分析一直是凝聚态物理领域最具挑战性的难题之一。理论上，单原子层非晶材料为研究非晶态物理提供了理想的模型体系，对其结构和特性的解析有助于深入理解非晶态物质的结构、无序度与性能之间的关系，推动凝聚态物理领域的发展。然而，长程无序度的精确控制、热力学稳定性、反应空间的限域程度等方面的问题为单原子层非晶材料的可控合成带来重要挑战。
针对二维非晶材料合成领域长期面临的挑战，研究团队提出了一种利用纳米尺度二维限域模板进行小分子聚合的液相合成策略，成功制备了氮掺杂的单原子层非晶碳材料（NAMC）。研究团队使用层状双氢氧化物(LDHs)纳米片作为模板，其限域作用抑制了分子聚合过程中的三维旋转和缠绕，分子在二维平面内发生聚合，突破了吡咯单体在传统聚合中局限于α-C位点交联的限制，促进了β-C和N位点的交联聚合，最终形成了五、六、七元环共存的二维非晶平面网络结构。研究团队精确解析了碳原子和氮原子在二维非晶碳网络中的分布，确认了氮原子嵌入到五、六、七元环混合的二维拓扑网络中，氮掺杂浓度可达9%。
图1. 氮掺杂单原子层非晶碳
该研究团队利用合肥光源光电子能谱实验站（BL10B）的软X射线吸收谱技术对所合成的NAMC进行了表征。NAMC中C-K边吸收谱（NEXAFS）发现了sp2杂化C（285.5 eV）以及5元环和7元环（283.4 eV）拓扑结构的存在。同时，N-K边吸收谱发现了石墨N的共振峰（401.2 eV）、吡啶N的弱峰（398.3 eV）和吡咯N的弱肩峰（399.6 eV），表明二维非晶碳网络中的N原子主要以石墨N的形式存在，同时存在少量的吡啶N和吡咯N。软X射线吸收谱表征结果证明了NAMC的基本网格结构，明确了其中C、N的化学状态，为进一步调整优化该合成策略提供了重要的实验依据。
图2. 氮掺杂单原子层非晶碳的N-K边吸收谱(a)和C-K边吸收谱(b)
随后该纳米尺度二维限域合成策略被成功应用于其他杂原子的单层非晶碳材料的制备，证明该策略具有一定的普适性，为未来开发性能优越的二维非晶材料提供了新的研究方向。
该项研究在合肥光源光电子能谱实验站（BL10B）和软X射线磁圆二色光束线站（BL12B）的支持下进行。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07958-0
