【引言】

 

石墨烯是一种二维零带隙半导体，具有许多不同寻常的特性和应用。石墨烯纳米带是石墨烯的一部分，其对称性和宽度决定了它们的电性能，引起不寻常的量子力学现象。最近， 在金属表面上制备的石墨烯纳米带的合成和研究已经取得了成功，可以通过扫描探针显微镜研究。然而，由于表面参与石墨烯纳米带的合成和稳定， 将这些技术扩展到三个维度是不可能的。

 

【成果简介】

 

近日，哥伦比亚大学的Michael L. Steigerwald,，Colin Nuckolls，Thomas J. Sisto及德克萨斯大学埃尔帕索分校的Luis Echegoyen（共同通讯）在Journal of the American Chemical Society期刊上发表了题为“Three-Dimensional Graphene Nanostructures”的研究论文，文中详细介绍了设计高性能光电子材料的新概念：三维（3D）石墨烯纳米结构。 这一总体策略通过合成三叶螺旋桨纳米结构，由中心三蝶烯中心和螺旋石墨烯纳米带的偶联和融合而得到展示。 重要的是，这些3D石墨烯纳米结构显示出与取代基部分不同的显着新特性。 例如，较大的纳米结构在光电子器件中显示吸收增强和接触电阻降低。 为了在器件设置中显示这些增强的特性，纳米结构被用作钙钛矿太阳能电池中的电子提取层。 这些纳米结构中最大的一个获得了18.0％的PCE，是非富勒烯电子萃取层报道的最高值之一。

 

【图文导读】

 

图1. 三维石墨烯纳米材料的和合成

 

 

（a）合成3D石墨烯纳米结构的一般策略；

 

（b）在这项研究中合成的三种纳米结构。

 

 

图2. 三种三维纳米结构的表征

 

 

（a）纳米结构1,2和3的UV / vis光谱；

 

（b）化合物hPDI3和b-hPDI3的结构；

 

（c）b-hPDI3和纳米结构3的UV / vis光谱，显示电子结构的相似性；

 

（d）3，hPDI3和b-hPDI3的截短的UV / vis光谱，比较三倍hPDI3，三倍b hPDI3和纳米结构3的最长波长跃迁。虽然benzannulation的电子贡献引起一些吸收增加， 它不负责纳米结构3中的所有增强。

 

 

图3. 三维石墨烯纳米结构的电学性质

 

 

（a）纳米结构3与Fc / Fc +的循环伏安图；
每个事件对应于三电子过程，表明3可逆地接受18个电子；

 

（b）EPR谱线宽度的比率等于离域亚基数量的平方，表明该基团在整个三叶片纳米结构上离域。

 

 

图4. 三维石墨烯纳米结构应用于钙钛矿太阳能电池

 

 

（a）钙钛矿太阳能电池配置；

 

（b）3D石墨烯纳米结构到钙钛矿中的层间渗透；

 

（c）设备PCE的分配。 计数表示单独的试验。 曲线表示每组组件的归一化分布。 百分比表示每组设备的平均结果；

 

（d）每个组件的欧姆电阻图。 钙钛矿和ETM之间的界面电阻分配给第一个较高频率的RC电弧。

 

【小结】

 

本文提出了石墨烯纳米带与中心枢纽的连接和融合，以产生三维石墨烯纳米结构。作者通过新的C-H激活方案合成纳米结构，以一步完成三蝶啶的三功能化。然后将带子与可见光流动光环化耦合并熔合到轮毂上，以产生非常大（分子量超过6600）并且高度可溶的原子限定的结构。与其组成部分相比，最大的纳米结构表现出超过80％的吸收增加，并在1V电势范围内以电化学方式接受18个电子。由于钙钛矿和传输层之间的界面电阻较低，因此作为电子提取层的钙钛矿太阳能电池并入产生高达18.0％的效率。