摘要：纳米石墨烯是石墨烯片的有限模型，具有吸引人的光学、电子和自旋电子学特性。所谓的杂原子掺杂，即用非碳轻原子替换一个或多个碳原子，被证明能有效调节纳米石墨烯的性质。

纳米石墨烯是石墨烯片的有限模型，具有吸引人的光学、电子和自旋电子学特性。所谓的杂原子掺杂，即用非碳轻原子替换一个或多个碳原子，被证明能有效调节纳米石墨烯的性质。

2025年2月11日，北京师范大学柯贤胜、韩国延世大学Jiwon Kim、韩国庆北大学Juwon Oh、美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Precisely metal doped nanographenes via a carbaporphyrin approach》的研究论文，2021级博士生何浩丹为论文第一作者，柯贤胜、Jiwon Kim、Juwon Oh、Jonathan L. Sessler为论文共同通讯作者。

柯贤胜，北京师范大学教授。2015年博士毕业于北京大学，导师为张俊龙教授；在美国得州大学奥斯汀分校从事博士后研究。现任职于北京师范大学。

柯贤胜教授的研究领域和兴趣包括卟啉，纳米石墨烯，π-共轭功能分子，分子碳材料。

在本文中，作者将杂原子纳米石墨烯掺杂的概念扩展到金属中心。

研究团队所采用的方法涉及使用二吡咯甲烷片段作为辅助配体，将其直接连接到模型纳米石墨烯六苯并蔻（HBC）的湾区，以形成二吡咯甲烷融合纳米石墨烯类杂化配体（HBCP）。

HBCP具有类卟啉三离子核，能够与第11族金属阳离子，包括三价的Cu、Ag和Au进行配位。这些阳离子以原子精度引入腔体，形成金属配合物（HBCP-M；M=Cu、Ag、Au）。

通过稳态和飞秒瞬态光谱学以及密度泛函理论（DFT）计算，揭示了HBCP及其金属配合物的电子结构和光物理性质。配体和金属配合物还通过单晶X射线衍射分析进行了表征。

本工作为在碳网络内精确金属掺杂纳米石墨烯铺平了道路，而不是外部螯合基团的合成附加物（例如四吡咯基团）。

图1：二吡咯甲烷融合纳米石墨烯配体HBCP的合成

图2：HBCP的单晶X射线衍射结构和1H NMR谱

图3：HBCP的电子性能

图4：HBCP-M（M=Cu, Ag, Au）金属配合物的合成

图5：HBCP-M（M=Cu, Ag, Au）的单晶X射线衍射结构、1H NMR谱和UV-vis-NIR光谱

图6：HBCP和HBCP-M（M=Cu, Ag, Au）的电化学性能

图7：HBCP和HBCP-Cu的激发态动力学

综上，作者通过一种基于碳卟啉的方法，实现了对纳米石墨烯的精确金属掺杂。研究团队利用二吡咯甲烷片段作为辅助配体，将其直接连接到模型纳米石墨烯六苯并蔻（HBC）的湾区，形成一种新型的二吡咯甲烷融合纳米石墨烯配体（HBCP），并进一步与Cu、Ag和Au等金属离子形成稳定的金属配合物。

本研究为纳米石墨烯的金属掺杂提供了一种精确的合成方法，使金属离子能够以原子精度嵌入碳网络中，而不依赖于外部螯合基团。这种精确的金属掺杂策略为设计具有特定电子结构和化学性质的新型纳米石墨烯材料奠定了基础，有助于进一步探索纳米石墨烯在纳米电子学、光电子学和自旋电子学等领域的应用潜力。

通过精确金属掺杂，纳米石墨烯的电子和光学性质可以被设计，从而开发出用于高性能电子器件、传感器、光电器件和自旋电子学设备的新型材料。此外，这种金属掺杂方法还可以扩展到其他2D材料的合成中，为材料科学和纳米技术领域带来新的发展机遇。

He, H., Lee, J., Zong, Z. et al. Precisely metal doped nanographenes via a carbaporphyrin approach. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56828-4.

来源：华算科技