研究背景
隨著二維材料的快速發展，氮摻雜的碳材料（N-doped carbon materials）因其優異的電化學性能和廣泛的應用潛力引起了科學家的關注。其中，氮摻雜非晶碳（NAMC）作為一種新型的碳材料，其獨特的結構和性質使其成為研究的熱點。然而，N摻雜碳材料在合成過程中面臨著如何有效控制氮的化學狀態及其與碳材料性能之間的關系這一研究難題，尤其是在提升材料的穩定性和導電性方面。為了解決這一問題，北京航空航天大學郭林、周武、中國科學院大學裘曉輝、國家納米科學中心劉利民、清華大學谷林等人攜手在Nature期刊上發表了題為“Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon”的最新論文。研究者們通過在可移動層狀雙氫氧化物模板的密閉層間空腔內聚合吡咯，制備出具有五元、六元和七元混合環（5-6-7元環）的獨立氮摻雜無定形單層碳。這種限域聚合的方法不僅為氮摻雜碳材料的合成提供了新的思路，也為深入探討氮的化學狀態與碳納米材料性能之間的關系提供了平臺。通過對不同異質原子的摻雜和兩維非晶單層的合成，研究者們展示了該方法的廣泛適用性。
研究亮點
1. 實驗首次通過空間限制聚合法合成了氮摻雜無定形碳（NAMC），這為氮摻雜石墨烯提供了一種有價值的替代材料。2. 實驗通過層狀NiAl-LDH作為可去除模板，在273K下進行聚合，成功地實現了氮摻雜碳材料的合成，且該材料展示出可調的化學狀態和優異的性能。3. 初步結果表明，該合成策略可擴展至合成含有多種雜原子的二維無定形單層材料，如PTH和PCZ，顯示出良好的適用性和靈活性。4. 進一步的表征結果（如拉曼光譜、XPS等）證實了所合成材料的結構和組成，展現了其在新材料研究中的重要性。
圖文解讀
圖2：從吡咯分子形成具有5、6、7元環的NAMC的過程。 圖3：通過EFM和光譜法對SiO2基底上NAMC的電性表征。 本文的研究成果展示了通過限域聚合合成氮摻雜無定形碳（NAMC）的策略，為氮摻雜石墨烯的替代品提供了有價值的選擇。通過精確調控氮的化學狀態，研究人員可以深入探討其對碳納米材料特性的影響。這一方法還為合成多種異質原子的二維無定形單層奠定了基礎，如初步探索的PTH和PCZ。結合先進的表征技術，如電子顯微鏡、拉曼光譜和X射線光電子能譜等，能夠更全面地理解材料的微觀結構和性質。Bai, X., Hu, P., Li, A. et al. Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07958-0
