[发明专利]一种螺线管状磁性碳纳米材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种螺线管状磁性碳纳米材料及其制备方法，其中螺线管状磁性碳纳米材料的结构示意如下：其中R₁、R₂、R₃、R₄各自独立地为氢、C_1‑20烷基、C_1‑20烷氧基、均三甲苯基、苯基或其大π延伸衍生物，并且各个X是相同或不同的碳、氧、或氮。本发明基于石墨烯纳米带的螺线管状磁性碳纳米材料具有拓扑结构新颖、合成及纯化方法简单、收率高、溶解度良好，表现出丰富的光、电、磁学性质、且可以通过设计不同的构筑单元来调控石墨烯纳米带的横向宽度及组成元素等特点，因而可作为制备具有广泛应用价值的光、电、磁性碳材料的潜在候选物。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种螺线管状磁性碳纳米材料及其制备方法。

背景技术

近年来，由于其出色的电学、热学和机械性能等，碳的多种同素异形体，包括0维的富勒烯，1维的碳纳米管和2维的石墨烯，引起了极大的关注和兴趣。这些碳同素异形体表现出明显的与结构相关的性质特点，比如卷曲纳米级直径和毫米级长度的石墨烯生成碳纳米管，或者制备窄的石墨烯(称为石墨烯纳米带)，均会导致意义重大的能带间隙的产生，这与其边缘结构的特点直接相关。理论研究预测(Phys.Rev.Lett.2006,97,216803；NanoLett.2006,6, 2748-2754)，具有原子级精度的扶手椅边缘和宽度小于2nm的窄石墨烯纳米带的带隙可以与硅(1.1ev)相媲美，这表明，可以通过调整碳同素异形体中的碳原子排布方式以及材料的结构，来影响或改变它们的电学及光物理等诸多性质。

先前的实验和理论研究已经解释了折叠石墨烯会导致材料特性发生变化，并可用于调整其电子(Phys.Rev.B,2011,83)和光物理(Chem.Sci.2018,9,3917-3924)特性。因此，弯曲的大π扩展石墨烯基纳米材料的设计和合成在寻求开发具有新颖几何形状和光电特性的碳纳米结构方面引起了极大的研究兴趣。在三维石墨烯结构中，已经提出了新的拓扑结构，如来自理论计算出来的螺旋形位错的螺旋形石墨烯(Nano Lett.2016,16,34-39)。此外，使用明场高分辨率透射电子显微镜在未加工的无烟煤中观察到四种位错和螺旋形状(J.Phys.Chem. Lett.2011,2,2521-2524)。对于目前的螺线管状螺旋碳纳米材料，一个原子石墨烯平面围绕垂直于基面的线连续盘旋，这可以被认为是紧密遵循的黎曼面(即log z型)。作为数学中众所周知的对象，黎曼曲面由黎曼于1851年提出，用于预测多值分析函数的单值域。值得注意的是，黎曼曲面不仅在现代数学的发展中发挥着关键作用，而且为多功能弯曲碳材料的设计和合成提供了新的思路。通过计算预测(Nano Lett.2016,16,34-39)，小直径的螺线管状碳纳米材料可以在施加电压时表现为量子导体，从而产生大磁场并产生优异的电感。

迄今为止，还没有关于大规模制造具有高度结构定义的可加工和磁性的螺线管状碳纳米材料的报道。但发展结构明确的π共轭碳纳米螺线管分子实体允许对其物理化学性质进行详细研究，并可能成为开发包含碳纳米螺线管分子的电子和自旋电子器件的基础，对于精确有机合成和材料设计等领域具有深远意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种螺线管状磁性碳纳米材料及其制备方法。本发明基于石墨烯纳米带的螺线管状磁性碳纳米材料具有拓扑结构新颖、合成及纯化方法简单、收率高、溶解度良好，表现出丰富的光、电、磁学性质、且可以通过设计不同的构筑单元来调控石墨烯纳米带的横向宽度及组成元素等特点，因而可作为制备具有广泛应用价值的光、电、磁性碳材料的潜在候选物。

本发明螺线管状磁性碳纳米材料，其结构示意如下：

其中R₁、R₂、R₃、R₄各自独立地为氢、C_1-20烷基、C_1-20烷氧基、均三甲苯基、苯基或其大π延伸衍生物，并且各个X是相同或不同的碳、氧、或氮。