富勒烯的应用现状

富勒烯（C60）研究与应用现状

大连工业大学

摘要：富勒烯发现至今只有短短20年时间,由于其独特的结构和物理、化学性质,吸引了众多科学家的目光,因此在这20 年中,使得C60化学得到了很大的发展.文章综述了富勒烯的几种合成方法，并阐述了目前常用的应用现状，最后对其未来的发展作了展望。

关键词富勒烯；合成方法；应用

引言

富勒烯的发现始于1985 年Kroto 等【1】在高真空环境下激光溅射石墨的研究。利用这种方法只能产生数以千计的富勒烯分子,根本无法进行富勒烯详细的性质表征研究, 当然更谈不上应用。1990 年,Krastchmer 等【2】发明了低压氦气环境下石墨电极电弧放电法合成富勒烯,能够得到克量级的C60 产物。由于富勒烯特殊的结构和性能,在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有重要的研究价值和应用前景。1991 年富勒烯被美国《科学》杂志评为年度分子,富勒烯被列为21 世纪的新材料。此后,科学家经过不断的探索和研究,发明了更多生产富勒烯的方法,例如连续石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法【3】、引入铁磁性金属催化剂法【4、5】、高温等离子体石墨蒸发法【6、7】,苯高温火焰燃烧法【8-10】等。而且富勒烯在日常生活中的应用越来越广泛, 因而富勒烯产品在未来社会具有很好的发展前景。

2.富勒烯的合成方法

2.1水下放电法

水下放电法【11】将电弧室中的介质由惰性气体换为去离子水, 采用直流电弧放电, 以碳纯度为99%、直径6mm的碳棒做阳极, 直径为12mm的碳棒做阴极, 放入2. 5L 的去离子水中至其底部3mm的位置, 在电压为16 ～17V、电流为30A的条件下拉直流电弧, 产物可在水表面收集。

水下放电法不需要传统电弧法的抽气泵和高度密封的水冷真空室等系统,

免除了复杂昂贵的费用, 可进一步降低反应温度, 能耗更小, 并且产物在水表面收集而不是在整个有较多粉尘的反应室。与传统电弧法相比, 此法产率及质量均较高。此法可制备出球形洋葱富勒烯、像富勒烯似的碳纳米粒子、类似碳纳米管和富勒烯粉末。

总之, 电弧法是目前应用最广泛、有可能进一步扩大生产规模的制备方法, 其C60产率可达10% ～13% , 为其物理、化学的研究奠定了基础。电弧法制备碳纳米管产率约为30% ～70% , 在电弧放电的过程中能达到4 000K的高温, 这样的温度下碳纳米管最大程度地石墨化, 所以制备的管缺陷少, 比较能反映碳纳米管的真正性能。但由于电弧放电通常十分剧烈, 难以控制进程和产物, 合成的沉积物中存在有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质, 而且碳管和杂质融合在一起, 很难分离。

2.2CVD法

CVD是制备富勒烯的另一种典型方法。催化热分解反应过程一般是将有机气体(通常为C2 H2 )混以一定比例的氮气作为压制气体, 通入事先除去氧的石英管中, 在一定的温度下, 在催化剂表面裂解形成碳源, 碳源通过催化剂扩散,在催化剂后表面长出碳纳米管, 同时推着小的催化剂颗粒前移。直到催化剂颗粒全部

被石墨层包覆, 碳纳米管生长结束。

制备过程中催化剂的选择, 反应温度, 时间, 气流量等都会影响碳纳米管的质量、产率,尤其是碳纳米管的直径很大程度上依赖于催化剂颗粒的直径【12,13】, 因此通过催化剂种类与粒度的选择及工艺条件的控制, 可获得纯度较高、尺寸分布较均匀的碳纳米管。Ivanov V等用此方法长出了长达50μm 的碳纳米管, 且通过对Fe、Co、Ni、Cu的催化能力比较, 得出纳米级微粒Co催化生成的纳米碳管石墨化程度较好。文献说明实验理想参数: 温度为650℃～700℃, 气体流量C2 H2 = 10mL /min、N2 = 600mL /min, 反应时间60min～70min, 产率高达90%以上。

此方法主要用于制备碳纳米管。它和电弧法比较, 有反应过程易于控制, 设备简单, 原料成本低, 可大规模生产, 产率高等优点。用此方法制备出来的碳纳米管有多种形貌(直的、弯的、螺旋状的)和结构, 且可以控制得到直径尺寸均匀甚至取向一致的碳纳米管, 这就为其形成机制、性能及应用等方面的研究提供了条件。但是, 由于反应温度低, 制得的碳纳米管层数多,石墨化程度较差, 存在较多的结晶缺陷, 有时管壁有无定形炭, 这些对碳纳米管的力学性能及物理化学性能会有不良的影响。

2.3 燃烧法制备富勒烯

苯燃烧法是1991美国麻省理工学院Howard等人发明的,该法是将苯蒸气和氧气混合后,在燃烧室低压环境(约5132kPa)下不完全燃烧,所得的炭灰中含有较高比例的富勒烯,经分离精制后可以得到纯富勒烯产物。因为无需消耗电力且连续进料容易等优点,苯燃烧法的工业化生产具有较明显的成本优势,已成为国际上工业化生产富勒烯的主流方法。燃烧法形成富勒烯一个很重要的过程是在高温下有五元环和六元环结构的存在,当五元环和六元结合时就会发生卷曲,从而形成笼状结构。主要有芳烃分步反应机理、“拉链”机理、凝聚相机理等三种机理。该法中碳氧比、燃烧炉压力、稀释气体种类、火焰离燃烧喷嘴的距离、火焰温度、气体流速对富勒烯产率的均会有影响。

2.4 爆炸辅助气相沉积法制备富勒烯

实验装置如图1 所示。将苦味酸、乙酸钴[ Co (AC) 2 ·4H2O] 、环己烷按摩尔比20∶1∶10 混合均匀(总量为3106g)放入15cm3 的不锈钢反应釜中(釜

I ) 。将釜I 密封好后,对釜II 及管道抽真空,并用氩气吹扫3 次。爆炸通过外部加热釜I到310℃来引发,加热速率为15℃/ min。图中特定形貌的铜片用来在爆炸之前隔绝釜I与釜II。爆炸发生瞬间,由于铜片被击穿,一部分高压气相碳簇将快速进入釜II。爆炸后,将实验装置自然恢复到常温,收集釜I、釜II 里的样品进行分析。实验中,图1 所示的釜II 分别处于450℃、150℃、冰水混合物冷却(0℃) 和干冰冷却( - 7815℃) 等温度环境。当使用冰水冷却或干冰冷却时,将釜II 的加热电炉取下,换上盛有冰水或干冰的容器。

称取一定量的产品,置于事先准备好的滤纸筒内,并将滤纸筒放入索式抽提器。量取100mL 甲苯作为抽提剂进行抽提,直到烧瓶里溶液颜色不再改变为止,然后把甲苯蒸干,便可得富勒烯产物。

3.富勒烯的应用

以C60为代表的富勒烯家族以其独特的形状和良好的性质开辟了物理学、化学和材料科学中一个崭新的研究方向.与有机化学中极常见的苯类似，以C60为代表的富勒烯形成了一类丰富多彩的有机化合物的基础.在克拉茨奇默和霍夫曼等人首先制备出宏观数量的C60以后，科学家从实验上制备出大量的富勒烯衍生物并对其性质进行了广泛研究，立即意识到这类新物质的巨大应用潜力.富勒烯新材料的许多不寻常特性几乎都可以在现代科技和工业部门找到实际应用价值，这正是人们对富勒烯或巴基球如此感兴趣的原因.已经预见到富勒烯材料的应用是多方面的，包括润滑剂、催化剂、研磨剂、高强度碳纤维、半导体、非线性光学器件、超导材料、光导体、高能电池、燃料、传感器、分子器件以及用于医学成像及治疗等方面。

3.1富勒烯在化妆品中的应用

C60富勒烯是一种很强的抗氧化物质，其抗氧化力是维生素C的125倍，除了抗氧化外，C60富勒烯还具有清除自由基、活化皮肤细胞（预防衰亡）等作用。经过十年的研究，人们开发出了可以使用在保养品中的C60富勒烯，对于肌肤抗老化来说，这无疑是一个值得深入研究的新成分【14】。

从1990年开始，对于C60富勒烯在清除自由基功能方面的研究有很大的进展，很多科研成果都证实C60富勒烯是一种很强的自由基清除分子，也可以说是一个很强的抗氧化剂。

众所周知，自由基的清除对人体的健康来说是相当重要的一环，除了疾病的治疗与预防外，还跟人体的老化有密不可分的关系。正与目前常说的，想要不变老，体内及外在的自由基清除与自由基形成预防是不可忽略的工作。而C60富勒烯可能是目前最强力的自由基清除成分。

3.2富勒烯在生物活性材料中的应用

Nelson等人报道C60对田鼠表皮具有潜在的肿瘤毒性。Baier等人认为C60与

超氧阴离子之间存在相互作用。1993年Friedman等人从理论上预测某些C60衍生物将具有抑制人体免疫缺损蛋白酶HIVP活性的功效，而艾滋病研究的关键是有效抑制HIVP的活性。日本科学家报道一种水溶性C60羧衍生物在可见光照射下具有抑制毒性细胞生长和使DNA开裂的性能，为C60衍生物应用于光动力疗法开辟了广阔的前景。1994年Toniolo等人报道一种水溶注C60—多肽衍生物，可能在人类单核白血球趋药性和抑制HIV-1蛋白酶两方面具有潜在的应用，黄文栋等人制得水溶性C60－脂质体，发现其对癌细胞具有很强的杀伤效应。台湾科学家报道多羟基C60衍生物—富勒酵具有吞噬黄嘌呤／黄嘌呤氧化酶产生的超氧阴离子自由基的功效，还对破坏能力很强的羟基自由基具有优良的清除作用。利用C60分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位能提高放射治疗的效力并减少副作用。

3.3 富勒烯在功能高分子材料中的应用

由于C60特殊笼形结构及功能，将C60做为新型功能基团引入高分子体系，得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。从原则上讲，C60可以引人高分子的主链、侧链或与其它高分子进行共混，Nagashima等人报导了首例C60的有机高分子C60Pdn并从实验和理论上研究了它具有的催化二苯乙炔加氢的性能，Y.Wany报道C60/C70的混和物渗入发光高分子材料聚乙烯咔唑（pvk）中，得到新型高分子光电导体，其光导性能可与某些最好的光导材料相媲美。这种光电导材料在静电复印、静电成像以及光探测等技术中有广泛应用。C60掺入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可成为很有前途的光学限幅材料。另外，C60掺杂的聚苯乙烯的光学双稳态行为也有报道。

4 展望

C60的结构特点决定着它具有特殊的物理化学性能【15】,它可以在众多学科当中都具有广泛的用途. 如碱金属原子可以与C60键合成“离子型”化合物而表现出十分良好的超导性能【16】,过渡金属富勒烯C60化合物表现出较好氧化还原性能【17】. 在高压下C60可转变为金刚石,开辟了金刚石的新来源. C60与环糊精、环芳烃形成的水溶性主客体复合物将在超分子化学、仿生化学领域发挥重要作用. 以富勒烯C60为基础的催化剂【18】,可用于以前无法合成的材料或更有效地合成现有的材料. 碳容易被加工成细纤维的特性很可能研制出一种比现有陶瓷类超导体更优的高温超导材料. 管状富勒烯的发现与研究,很可能使这种超强度低密度的材料用于新型飞机的机身. C60有区分地吸收气体的性质可能被应用于除去天然气中的杂质气体. C60离子束轰击重氢靶预计运用于分子束诱发核聚变技术. C60和C70溶液具有光限幅性,可作为数字处理器中的光阈值器件和强光保护器,用

C60和C70的混合物掺杂PVK呈现非常好的光电导性能及其用于静电印刷的潜在可能性. Si 也被发现可能形成类似富勒烯结构,有望成为新的半导体元件材料??迄今为止,C60原子团簇及其衍生物已涉及到生命化学、有机化学、材料化学、无机化学、高分子科学、催化化学等众多领域,可用于复合材料、建筑材料、表面涂料、火箭材料,等等. 虽然其广泛应用还不是一个短时间的过程,但随着人们对其不断认识,相信基于C60的各种应用将具有更为广泛的应用前景.

参考文献

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Synthesis of OL Fs by Arc Discharge in Cyclohexane L IU W en1, L I Hong2jin, YAN G Yong2zhen, ZHAN G Xiao2yun, ZHAN G Yan

(1. Institute of Chemical and Biological Techno logy, Taiyuan University ofScience and Techno logy, Taiyuan

030021, China;

2. College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Techno logy, Taiyuan 030024, China) Abstract: Onion2like Fullerenes (OL F s) and mult i2walled carbon nano tubes can be synthesized by arc discharge in cyclohexane while graphite is used as electrodes. F ield2emission scanning electron microscopy (FESEM ) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM ) techniques w ere used to characterize the morphologies and structures of the deposit formed on the surface of cathode UV 2VIS absorption spectrometer was used to analyze the residual cyclohexane solution. As a result,OL F s and multi2 walled carbon nano tubes with large amount were ob served in the deposit formed on the surface of cathode. OL F s w ere also found in the residual cyclohexane.

Key words: OL F s; multi2 walled carbon nano tubes; arc discharge; cyclohexane

Pyrolysis of Ethine in Thermal Plasma :Synthesis of Fullerenes

TANG Zhen-fang, GAO Yong3 , ZHONG Hong2hai

( 11Department of Physics ,Ji’han University , Guangzhou 510630 ,China ;

2. Department of Physics , Zhongshan University , Guangzhou 510275 ,China ;

3. Chinese National Center for Analysis and Testing , Guangzhou 510070 ,China)

Abstract:A30 kW Ar thermal h. f .2plasma installation is employed to incessantly produce carbon soot in volume from pyrogenic process of ethine. The ultrfine soot particle with size 25nm is mainly consisted of amouphism carbon andhalf2crystallized graphite fragments observed by High Resolution TEM. UV2Visible and IR spectroscopy analysis finds that C60 PC70 mixture exists in toluene extration from the soot ,about 3 % crude yield in weight. It shows plasma pyrolysis process of hydrocarbon is a protential motheds for synthesis of fullerencs.

Key words: themal plasma ; hydrocarbon pyrolysis ; fullerenes synthesis

富勒烯介绍

富勒烯的发现、特性、结构极其应用化学与材料科学学院化学专业0501班吴铭摘要：长期以来，人们只知碳的同素异形体有三种：金刚石,石墨和无定形碳。自1985年发现了巴基球，1991年1992年又相继发现了巴基管（碳纳米管）和巴基葱，碳有了第四种同素异形体富勒烯，于是人们便开始了对其结构与特性的研究，并广泛应用。本文综述了富勒烯的发现、特性、结构极其应用。关键词：富勒烯结构特性应用目前为止，碳的同素异形体已被发现四种：金刚石，石墨，不定形碳和富勒烯。其中，人们对前三种应该早就熟知了，而对于最后一种恐怕大多人知知甚少。巴基球，巴基管和巴基丛统称富勒烯。以下则介绍富勒烯的发现特性，结构极其应用。一．发现 (一) 巴基球的发现英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托(h.w.kvoto)在研究星际空间暗云中含碳的尘埃时，发现此尘埃中有氰基聚分子，克罗托很想研究该分子形成的机制，但没有相应的设备.1984年克罗托赴美参加陂得萨斯州奥斯汀举行的学术会议，并到莱斯大学参观，现该校化学系系主任科生(R.F.cuv.jv)教授介绍，认识了研究原子簇化学的斯莫利教授，观看了斯莫利和他的研究生用他们设计的激光超团簇发生器，在氦气中用激光使碳化硅变成蒸汽的实验，克罗托对这台仪器非常感兴趣，这正是所渴求的仪器。三位科学家优异合作并安排在1985年8月到9月间进行合作研究。是时，他们用功率激光轰击石墨，使石墨中的碳原子汽化，用氮气流把气态碳原子送入真空室。迅速冷却后形成碳原子簇，再用质谱仪检测。他们解析质谱图后发现，该实验产生了含不同碳原子数的原子簇。其中相当于60个碳原子，质量数落在720处的信号最强，其次是相当于70个碳原子，质量数为840处的信号最强。说明C60是相对稳定的原子簇分子。(图1) (二) 巴基管和巴基丛的发现 1991年日本NFC公司的电镜专家饭岛博士，在氮气直流电弧放电后的阴极棒上发现了管状的结构的碳原子簇，直径约几纳米，成为碳纳米管（Cerbonnanofubes），又称巴基管（Buckytabes）。碳纳米管也是典型的富勒烯，可以有单层和多层之分，多层管则由几个或几十个单层管回轴套叠而成．想另管距为0。34nm与石墨层检举0。335nm相近．饭岛发现，如果巴基管全由方边形碳环组成，该管是不封闭的，可以向两端伸长;如果在管子两端有五边形，会将巴基管末端封闭。(图4) 1992年瑞士联邦大学的D.vgarte年人用高强度电子来对碳棒长时间照射，发现了多层相套的巴基球，结构像洋葱(Buckyonlons)。巴基葱的层面可达70多层。(图5) 二．结构及特性 (一)结构

富勒烯的应用现状

富勒烯（C60）研究与应用现状

富勒烯（C60）研究与应用现状大连工业大学摘要：富勒烯发现至今只有短短20年时间,由于其独特的结构和物理、化学性质,吸引了众多科学家的目光,因此在这20 年中,使得C60化学得到了很大的发展.文章综述了富勒烯的几种合成方法，并阐述了目前常用的应用现状，最后对其未来的发展作了展望。关键词富勒烯；合成方法；应用引言富勒烯的发现始于1985 年Kroto 等【1】在高真空环境下激光溅射石墨的研究。利用这种方法只能产生数以千计的富勒烯分子,根本无法进行富勒烯详细的性质表征研究, 当然更谈不上应用。1990 年,Krastchmer 等【2】发明了低压氦气环境下石墨电极电弧放电法合成富勒烯,能够得到克量级的C60 产物。由于富勒烯特殊的结构和性能,在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有重要的研究价值和应用前景。1991 年富勒烯被美国《科学》杂志评为年度分子,富勒烯被列为21 世纪的新材料。此后,科学家经过不断的探索和研究,发明了更多生产富勒烯的方法,例如连续石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法【3】、引入铁磁性金属催化剂法【4、5】、高温等离子体石墨蒸发法【6、7】,苯高温火焰燃烧法【8-10】等。而且富勒烯在日常生活中的应用越来越广泛, 因而富勒烯产品在未来社会具有很好的发展前景。 2.富勒烯的合成方法 2.1水下放电法水下放电法【11】将电弧室中的介质由惰性气体换为去离子水, 采用直流电弧放电, 以碳纯度为99%、直径6mm的碳棒做阳极, 直径为12mm的碳棒做阴极, 放入2. 5L 的去离子水中至其底部3mm的位置, 在电压为16 ～17V、电流为30A的条件下拉直流电弧, 产物可在水表面收集。水下放电法不需要传统电弧法的抽气泵和高度密封的水冷真空室等系统, 免除了复杂昂贵的费用, 可进一步降低反应温度, 能耗更小, 并且产物在水表面收集而不是在整个有较多粉尘的反应室。与传统电弧法相比, 此法产率及质量均较高。此法可制备出球形洋葱富勒烯、像富勒烯似的碳纳米粒子、类似碳纳米管和富勒烯粉末。总之, 电弧法是目前应用最广泛、有可能进一步扩大生产规模的制备方法, 其C60产率可达10% ～13% , 为其物理、化学的研究奠定了基础。电弧法制备碳纳米管产率约为30% ～70% , 在电弧放电的过程中能达到4 000K的高温, 这样的温度下碳纳米管最大程度地石墨化, 所以制备的管缺陷少, 比较能反映碳纳米管的真正性能。但由于电弧放电通常十分剧烈, 难以控制进程和产物, 合成的沉积物中存在有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质, 而且碳管和杂质融合在一起, 很难分离。 2.2CVD法 CVD是制备富勒烯的另一种典型方法。催化热分解反应过程一般是将有机气体(通常为C2 H2 )混以一定比例的氮气作为压制气体, 通入事先除去氧的石英管中, 在一定的温度下, 在催化剂表面裂解形成碳源, 碳源通过催化剂扩散,在催化剂后表面长出碳纳米管, 同时推着小的催化剂颗粒前移。直到催化剂颗粒全部

富勒烯的性质。性能以及研究现状

富勒烯的性质，性能以及研究现状 2009210309 化院0906 陈青英摘要：本文总结了近十几年的文献资料, 对[C60 ]富勒烯的化学修饰及其功能材料性能研究进行综述. 关键词：富勒烯, 化学修饰, 功能材料, 性能 Abstract:Three kinds of ［60 ］fullerene-coumarin compounds were synthesized by esterification with the coumarin derivatives and characterized by 1H NMR， 13 C NMR， FT-IR and MS. Their fluorescence intensity drastically reduced owing to the competition of excitation light and the fluorescence re-absorption of the coumarin to fullereneRetro-cycloaddition reaction is one of the most important reactions of fullerene derivatives.Many kinds of organofullerenes are not stable under reductive,oxidative or thermal conditions,where the functional addends are removed from the fullerene sphere and lead to the formation of pristine fullerenes.Such addition-retro-addition reaction has shown promising application in the protection/deprotection strategy for the purification and functionalization of fullerenes.. Keywords:Fullerene，Coumarin，Fluorescence，fullerene derivatives; retro-cycloaddition reactions; C-H-X hydrogen bonding 石墨和金刚石是大家所熟悉的.碳元素的两种同素异形体。二十世纪八十年代中期，科学家又发现了碳的第三种同素异形体C60富勒烯。这是二十世纪九十年代，物理学和化学学科领域中最重要的发现之一，C60化学是目前有机化学领域的前沿，它是是Kro to 等在1985 年发现的碳的第3 种同素异形体, 当时采用激光蒸发石墨法制备, 只能得到微克量级,直到1990 年Krabt schmer2Hu t tman 等采用石墨棒电孤蒸发法获得克量级的C60产品, 从而有力地促进了全碳分子的研究. C60分子是由12 个五边形环与20 个六边形环稠合所构成的笼状32 面体, 其形状很象一个足球, 五边形环为单键(键长约01145 nm ) , 2 个六边形环的公共棱边则为双键(键长约01138 nm ) , 共有12 根双键, 因而C60分子具有缺电子芳香烃的一些性质. 它能发生环加成反应, 亲核、亲电加成, 自由基加成, 包合反应, 聚合反应, 光化学反应, 氧化还原反应等. 迄今对它的研究已涉及无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、材料科学、高分子科学、生命科学等众多学科及应用领域. 1富勒烯的化学修饰 C60的化学修饰主要集中在它的化学活性、反应和机理研究以及设计、合成功能性化物, 包括C60的二次衍生物上. 根据修饰方法不同, 可分为: 经典有机化学反应, 金属有机化学反应和电化学合成. 1.1富勒烯的有机化学反应 C60具有典型的缺电子芳香烃的性质, 容易与供电子的亲核基团反应. 多数情况下, 亲核试剂是进攻C60分子的6, 6 环共用边双键, 有时也会发生重排而得到插入5, 6 环共用边键的衍生物

富勒烯及其衍生物的发展及研究

富勒烯及其衍生物的发展及研究 ——文献综述摘要：富勒烯是无机化学研究中十分重要的一个领域。近年来，对富勒烯的结构、衍生物、在各方面的应用等都有了新的突破，而本文则是以文献综述的形式，通过阅读文献对近五年来有关富勒烯及其衍生物的发展及研究进行总结描述。关键词：富勒烯物理性质化学性质应用前言：1985年，人类在相继发现了石墨、金刚石之后，Kroto等发现了富勒烯，即C60，更以其独特的物理、化学性质引起了科学界普遍的关注。Ｃ60是含有众多双键具有独特笼型结构的三维芳香化合物．它的６０个位于顶点上的碳原子组成了球形３２面体，其中有１２个面是五边形，２０个面是六边形［１］．这种结构类似于日常生活中所见到的足球，因此也被称作“足球烯”。这种特殊的结构使它具有特殊的超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀等优异的性质．在超导材料、光电导材料、化妆品、纳米粒子材料、生物医学等领域应用前景广阔。内嵌式富勒烯的研究更是近来有关富勒烯研究的热门课题。 1.富勒烯的性质 1.1物理性质Ｃ60是非极性分子，外观呈深黄固体，随厚度不同颜色可呈棕色到黑色．密度为1.678ｇ／ｃｍ，不导电，但具有良好的非线性光学性质、光电导性，是很好的光电导材料，熔点＞553Ｋ，易升华，易溶于含有大∏键的芳香性溶剂中，磁流中性，但是其五元环有很强的顺磁性，而六元环具有较为缓和的介磁性；分子中的60个碳原子是完全等价的．由于球面的弯曲效应、五元环的存在，使得碳原子的杂化方式介于sp2和sp3杂化之间，从立体构型来看，Ｃ60具有点群对称性，分子价电子数高达240个。[2] 1.2化学性质 1.2.1亲核反应—与金属的反应 C60与金属的反应主要分为两类一种是金属被置于C60碳笼的内部; 另一种是金属位于C60碳笼的外部。（1）C 60碳笼内配合物生成反应: C60碳笼为封闭的中空的多面体结构, 其内腔直径为7. 1 A,内部可嵌入原子、离子或小分子形成新的团簇分子 , C 60+ A C60 ( A)。其主要包含物种类为金属、惰性气体及部分极性分子（如LiF），其中金属包含物研究最为广泛。Sm alley等人现已发现如 K、Na、Ba、Sr、Ho、Th等碱金属、碱土金属、绝大多数稀有金属均可与C60形成C60(A)。（2）C60碳笼外键合反应: 能与 C60键合的金属有: V、Fe、Co、Ni、Rh、Cu、La、Yb、Ag 等[3]。 1.2.2加成反应由于Ｃ60的不饱和性，C60可以与胺类、磷化物等发生加成反应，在格氏试剂作用下还可以与CH3I反应，生成烷基化物。

碳纳米管和富勒烯的光电特性和应用

碳纳米管和富勒烯的光电特性和应用一、碳纳米管的结构性能及应用（一）碳纳米管的结构碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管(SWNT)和多壁纳米碳管(MWNT)。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。长度可达数微米,因此有较大的长径比。资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六,c=0.6852nm,c/a=2.786 ,与石墨相比,a值稍小而c值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力,碳纳米管有极高的同轴向强度。多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。（二）碳纳米管的主要性质及应用（1）碳纳米管的性质如下：

1. 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，记为(n,m)。a1和a2分别表示两个基矢。(n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定(n,m)的纳米管，如果有2n+m=3q（q为整数），则这个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于n=m的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。 2. 碳纳米管具有很高的杨氏模量和抗拉强度，杨氏模量估计可高达5T Pa；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软．碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有关，随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质。碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷，使其局部区域呈现异质结特性。不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应，有近乎理想的整流效应．在室温条件下，碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波，能以新的频谱发射光波，还能发射与原来频谱完全相同的光波。（2）碳纳米管还有以下的应用： 1. 纳米电子学方面作为典型的一维量子输运材料，用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应。碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件。碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长供了一种模板或框架，碳纳米管在高温下非常稳定，利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构。这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶

富勒烯的研究应用与进展

富勒烯（C60）研究与应用现状化工与材料学院

富勒烯（C60）研究与应用现状（辽宁省大连市甘井子区轻工苑1号大连工业大学化工与材料学院 116034）摘要：富勒烯发现至今只有短短20年时间,由于其独特的结构和物理、化学性质,吸引了众多科学家的目光,因此在这20 年中,使得C60化学得到了很大的发展.文章综述了富勒烯的几种合成方法，并阐述了目前常用的应用现状，最后对其未来的发展作了展望。关键词富勒烯；合成方法；应用引言富勒烯的发现始于1985 年Kroto 等【1】在高真空环境下激光溅射石墨的研究。利用这种方法只能产生数以千计的富勒烯分子,根本无法进行富勒烯详细的性质表征研究, 当然更谈不上应用。1990 年,Krastchmer 等【2】发明了低压氦气环境下石墨电极电弧放电法合成富勒烯,能够得到克量级的C60 产物。由于富勒烯特殊的结构和性能,在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有重要的研究价值和应用前景。1991 年富勒烯被美国《科学》杂志评为年度分子,富勒烯被列为21 世纪的新材料。此后,科学家经过不断的探索和研究,发明了更多生产富勒烯的方法,例如连续石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法【3】、引入铁磁性金属催化剂法【4、5】、高温等离子体石墨蒸发法【6、7】,苯高温火焰燃烧法【8-10】等。而且富勒烯在日常生活中的应用越来越广泛, 因而富勒烯产品在未来社会具有很好的发展前景。 2.富勒烯的合成方法 2.1水下放电法水下放电法【11】将电弧室中的介质由惰性气体换为去离子水, 采用直流电弧放电, 以碳纯度为99%、直径6mm的碳棒做阳极, 直径为12mm的碳棒做阴极, 放入2. 5L 的去离子水中至其底部3mm的位置, 在电压为16 ～17V、电流为30A的条件下拉直流电弧, 产物可在水表面收集。水下放电法不需要传统电弧法的抽气泵和高度密封的水冷真空室等系统, 免除了复杂昂贵的费用, 可进一步降低反应温度, 能耗更小, 并且产物在水表面收集而不是在整个有较多粉尘的反应室。与传统电弧法相比, 此法产率及质量均较高。此法可制备出球形洋葱富勒烯、像富勒烯似的碳纳米粒子、类似碳纳米管和富勒烯粉末。总之, 电弧法是目前应用最广泛、有可能进一步扩大生产规模的制备方法, 其C60产率可达10% ～13% , 为其物理、化学的研究奠定了基础。电弧法制备碳纳米管产率约为30% ～70% , 在电弧放电的过程中能达到4 000K的高温, 这样的温度下碳纳米管最大程度地石墨化, 所以制备的管缺陷少, 比较能反映碳纳米管的真正性能。但由于电弧放电通常十分剧烈, 难以控制进程和产物, 合成的沉积物中存在有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质, 而且碳管和杂质融合在一起, 很难分离。 2.2CVD法 CVD是制备富勒烯的另一种典型方法。催化热分解反应过程一般是将有机气体(通常为C2 H2 )混以一定比例的氮气作为压制气体, 通入事先除去氧的石英管中, 在一定的温度下, 在催化剂表面裂解形成碳源, 碳源通过催化剂扩散,在催

内嵌金属富勒烯

摘要富勒烯是近年来研究较多的碳笼结构高分子化合物, 其分离、纯化是影响该研究领域进展的关键因素。本文概述了富勒烯及内嵌金属富勒烯的性质及应用，同时还介绍了富勒烯、内嵌金属富勒烯的柱色谱分离。色谱法是目前分离富勒烯的重要手段, 本文概述了该法在富勒烯分离、纯化中的应用。关键词色谱法富勒烯分离纯化 Abstract Significant increases of fullerenes yields, as well as the additional, selective extractions of higher order fullerenes were achieved. Chromatographic separations of fullerenes from the obtained soot extracts were performed by continue elution, in one phase of each process, under atmospheric pressure, with original, defined gradients of solvents, from pure hexane or 5 % toluene in hexane to pure toluene, on active Al2O3 columns, by the new, improved methods.The advances in chromatographic purification using alumina, as well as in understanding of the unique, main optical absorption properties of these molecules are reported. Keywords: Carbon soot, Basic and higher fullerenes, Solvent

富勒烯c60的结构及应用

简述富勒烯C60的结构及应用结构： C60的分子结构为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键（C=C）的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯。球体直径约为710pm，即由12个五边形和20个六边形组成。其中五边形彼此不相联接只与六边形相邻。与石墨相似，每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻三个碳原子相连，剩余的p 轨道在C60分子的外围和内腔形成π键应用：一.用于增强金属：在增强金属材料方面，C60的作用将比焦炭中的碳更好，这是因为C60比碳的颗粒更小、活性更高，C60与金属作用产生的碳化物分散体的颗粒大小是0.7nm，而碳与金属作用产生的碳化物分散体的颗粒大小为2μm～5μm，在增强金属的作用上有较大差别。二.用作新型催化剂 C60具有烯烃的电子结构，可以与过渡金属(如铂系金属和镍)形成一系列络合物。例如C60与铂、锇可以结合成{[(C2H5)3P]2Pt}C60和C60OsO4·(四特丁基吡啶)等配位化合物，它们有可能成为高效的催化剂。三.用于气体的贮存：利用C60独特的分子结构，可以将C60用作比金属及其合金更为有效和新型的吸氢材料。每一个C60分子中存在着30个碳碳双键，因此，把C60分子中的双键打开便能吸收氢气。与金属或其合金的贮氢材料相比，用C60贮存氢气具有价格较低的优点，而且C60比金属及其合金要轻，因此，相同质量的材料，C60所贮存的氢气比金属或其合金要多。C60不但可以贮存氢气，还可以用来贮存氧气。与高压钢瓶贮氧相比，高压钢瓶的压力为3.9×106Pa，属于高压贮氧法，而C60贮氧的压力只有2.3×105 Pa，属于低压贮氧法。利用C60在低压下大量贮存氧气对于医疗部门、军事部门乃至商业部门都会有很多用途。四.用于制造光学材料：由于C60分子中存在的三维高度非定域电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光

富勒烯相关知识

富勒烯制备目前较为成熟的富勒烯的制备方法主要有电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。电弧法一般将电弧室抽成高真空, 然后通入惰性气体如氦气。电弧室中安置有制备富勒烯的阴极和阳极, 电极阴极材料通常为光谱级石墨棒，阳极材料一般为石墨棒, 通常在阳极电极中添加铁，镍，铜或碳化钨等作为催化剂。当两根高纯石墨电极靠近进行电弧放电时, 炭棒气化形成等离子体,在惰性气氛下碳分子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳定的C60及高碳富勒烯分子, 它们存在于大量颗粒状烟灰中, 沉积在反应器内壁上, 收集烟灰提取。电弧法非常耗电，成本高，是实验室中制备空心富勒烯和金属富勒烯常用的方法。燃烧法将苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有C60或C70，通过调整压强、气体比例等可以控制C60与C70的比例，该法设备要求低，产率可达到%-9%，是工业中生产富勒烯的主要方法。化学气相沉积（CVD）主要用于制备碳纳米管，合适实验条件可制备出富勒烯。反应过程：有机气体和N2压入石英管，用激光、电阻炉或等离子体加热，气体分子裂解后在催化剂表面生长成富勒烯或碳纳米管。催化剂一般为Fe、Co、Ni、Cu颗粒。CVD设备简单，原料成本低，产率高；并且反应过程易于控制，可大规模生产。提纯

通常是以C60为主，C70为辅的混合物，还有碳纳米管、无定形碳和碳纳米颗粒。决定富勒烯的价格和其实际应用的关键就是富勒烯的纯化。实验室常用的富勒烯提纯步骤是：从富含C60和C70的烟尘中先用甲苯索氏提取,然后纸漏斗过滤。蒸发溶剂后,剩下的部分(溶于甲苯的物质)用甲苯再溶解，再用氧化铝和活性碳混合的柱色谱粗提纯，第一个流出组分是紫色的C60溶液，第二个是红褐色的C70，此时粗分得到的C60或C70纯度不高，还需要用高效液相色谱（纯度高，设备昂贵，分离量小）来精分。Nagata发明了一项富勒烯的公斤级纯化技术。该方法通过添加二氮杂二环到C60, C70等同系物的1、2、3-三甲基苯溶液中。DBU只会和C70以及更高级的同系物反应，并通过过滤分离反应产物，而富勒烯C60与DBU不反应，因此最后得到C60的纯净物；其它的胺化合物，如DABCO，不具备这种选择性。 C60可以与环糊精以 1:2的比例形成配合物，而C70则不行，一种分离富勒烯的方法就是基于这个原理，通过S-S桥固定环糊精到金颗粒胶体，这种水溶性的金/环糊精的复合物[Au/CD]很稳定,与不水溶的烟灰在水中回流几天可以选择性地提取C60，而C70组分可以通过简单的过滤得到。将C60从[Au/CD] 复合物中分离是通过向环糊精水溶液加入对环糊精内腔具有高亲和力的金刚烷醇使得C60与[Au/CD] 复合物分离而实现C60的提纯，分离后通过向[Au/CD/ADA]的复合物中添加乙醇，再蒸馏，实现试剂的循环利用。50毫克[Au/CD]可以提取5毫克富勒烯C60。后两种方法都只停留在实验室阶段，并不常用。 Coustel重结晶法 Coustel等利用C60和C70在甲苯溶液中溶解度的不同，通过简单的重结晶法得到纯度为95-99％的C60 。本方法第一次重结晶得到C60的纯度约为95％，通过二次重结晶得到的C60 ，纯度达到98％-99％。 Prakash法由于C70等高富勒烯对AlCl3的亲和力大于C60 ，据此，Prakash将C60与C70的混合物溶入CS2中，加入适量AlCl3 ，由于C70等高富勒烯与AlCl3形成络合物，因而从溶液中析出， C60仍留在溶液

内嵌钇金属富勒烯的合成、分离及化学性质的研究

内嵌钇金属富勒烯的合成、分离及化学性质的研究随着科学的发展与进步,一些新的碳的同素异型体陆续被发现,如富勒烯、石墨烯等。其中研究的重点为内嵌富勒烯,即碳笼内部嵌入了金属或其他元素的特殊富勒烯,由于内嵌富勒烯具有特殊的物理性质和化学性质,因此在生物医药、电子期间等领域具有广泛的应用。本研究主要是包括以下几个方面:1.通过直流电弧放电的方法制备了金属钇富勒烯的原灰,以二硫化碳为溶剂提取原灰,然后旋蒸置换成甲苯溶液,最后利用高效液相色谱（HPLC）分离、纯化金属富勒烯,最终得到了纯度很高的 Y@C_s-C₈₂、 Y₂@C_3v-C₈₂以及 Y₂C₉₆的样品,并且分别对 Y@C_s-C₈₂、 Y₂@C_3v-C₈₂以及 Y₂C₉₆进行了包括质谱、光谱等在内的表征。2.通过 Y₂@C_3v-C₈₂或C₆₀的两个 1,3-偶极的反应探讨了Y₂@C_3v-C₈₂的化学性质。利用Y₂@C_3v-C₈₂或C₆₀与N-苯基苯碳酰亚肼基氯（DPNI）的高选择反应,得到了相应的稳定的富勒烯衍生物 Y₂@C_3v-C₈₂(C₁₃N_{2H₁₀)（2a）和}

煤基富勒烯的制备研究

第40卷增刊12000年12月大连理工大学学报 JOurnal Of Dalian University Of TechnOlOgy VOl .40 S 1Dec .2000 文章编号:1000-8608(2000D S 1-S 0041-05 收稿日期:2000-07-31 基金项目:国家自然科学基金资助项目(29506041D ;辽宁省科学基金资助项目(95031D 作者简介:邱介山(1964-D 男教授博士生导师;E -mail :jgiu @chem .dlut .edu .cn . 煤基富勒烯的制备研究邱介山周颖王琳娜杨兆国韩红梅 (大连理工大学材料化工系辽宁大连 116012D 摘要:以14种国产煤为原料用电弧等离子体蒸发法制备富勒烯.富勒烯产品的表征采用质谱~紫外光谱~红外光谱及高压液相色谱技术.考察了煤样的基础性质对富勒烯产率的影响.结果表明由实验所用煤种均可制得富勒烯;原料煤本身的化学结构和组成影响富勒烯的产率和分布;由某些煤得到的富勒烯中 C 70的含量较之以石墨电极为原料时的含量要高得多. 关键词:煤;电弧等离子体/富勒烯中图分类号:T;221.23;T;536文献标识码:A 15年前以C 60分子为代表的富勒烯新材料的发现[1] 开创了化学和材料研究的新领域它从一开始就在世界范围内成为众多科学家关注的研究热点.已有的研究工作表明富勒烯在物理~化学~材料~生命科学等众多领域均有巨大的应用潜力.C 60富勒烯的发现者Kroto 等人因此被授予1996年度的诺贝尔化学奖.随着对C 60性质和应用研究的不断深入与发展寻找廉价原料扩大制备富勒烯的原料来源已成为广大研究者的共识.以储量丰富的煤炭为原料制备富勒烯由于其低廉的价格~独特的化学结构而得到许多研究者的关注[2~6]. 本文以14种国产煤为原料用电弧等离子体蒸发法制备富勒烯着重研究了煤的灰分~挥发分及固定碳含量等基础性质对富勒烯产率的影响. 1 实验部分实验所用煤种包括4种无烟煤(阳泉~北京~晋城和汝萁沟D 8种烟煤(贫煤~瘦煤~1/3焦煤~肥煤~气煤和长焰煤D 以及2种褐煤(扎赉诺尔和宝日希勒煤D.煤样经预处理后得到直径为12mm 的煤基炭棒.成型所用粘结剂为鞍山钢铁公司的中温沥青.原料煤的预处理工艺流程参见文献[7].制备富勒烯所用的电弧等离子体蒸发实验装置参见文献[8].在电弧蒸发焦棒过程中所使用的缓冲气体是高纯氦气. 为考察煤中灰分对富勒烯形成的影响对一部分煤样进行了碱法脱灰处理[9] 具体步骤如下:原煤粉碎至粒度小于150pm 在NaO 的溶液中(碱煤质量比为0.4D 于55 下浸泡24h 在100 下烘干后放入温度为340 的马弗炉中进行碱煤反应90min 煤样冷却后用去离子水洗涤至中性然后再用10%的盐酸溶液浸泡90min 最后用去离子水洗涤至中性并烘干备用.煤样脱灰前后的工业分析数据示于表1. 富勒烯的制备是在如下条件[8]下进行的:氦气压力0.018~0.020M a 直流电流1=80~100A .目标产物富勒烯存在于所制得的烟灰中这些烟灰沉积在电弧反应器的内壁上.烟灰经甲苯索氏抽提即获得黑色的晶体状富勒烯混合物.富勒烯的表征采用质谱(MS D ~紫外可见吸收光谱(UV -Vis D ~红外光谱(FT -IR D 和高压液相色谱( LC D 进行. 2 实验结果与讨论 MS ~UV -Vis 和FT -IR 等技术是对富勒烯进行定性研究的可靠分析手段.用MS ~UV -Vis 和FT -IR 技术对电弧等离子体蒸发煤基炭棒所得烟灰经索氏抽提后得到的富勒烯进行了研究结果见图1~3.

富勒烯

富勒烯富勒烯（Fullerene) 是一种碳的同素异形体.任何由碳一种元素组成, 以球状, 椭圆状, 或管状结构存在的物质, 都可以被叫做富勒烯. 富勒烯与石墨结构类似, 但石墨的结构中只有六元环, 而富勒烯中可能存在五元环. C60是于1985年由Rich ard Buckminster Fuller发现的第一个富勒烯, 又被称为足球烯. 这是因为C60的表面结构与足球完全一致. 富勒烯这个名称也由Fuller 而来, 而我们一般用Buckm inster fullerene 指足球烯. 性质密度和溶解性 C60的密度为cm。 C60不溶于水，在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非极性溶剂中有一定的溶解性。导电性碳原子本具有导电性，而C60分子的导电性优于铜，重量只有铜的六分之一，一个巴克球分子相当于一纳米，可谓极微小，它的导电性来自奇特的分子结构并非靠其他原子，可见不久的将来人类世界将诞生非金属电缆、非金属电路板...等富勒烯产品。结构

克罗托受建筑学家理查德·巴克明斯特·富勒（RichardBuckminsterFuller，18 95年7月12日~1983年7月1日）设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发，认为C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为buckminster fullerene（巴克明斯特·富勒烯，简称富勒烯）。富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯。现已分离得到其中的几种，如C60和C70等。在若干可能的富勒烯结构中C60，C240，C540和直径比为1:2:3。C60的分子结构的确为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键（C=C）的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯。球体直径约为710pm，即由12个五边形和20个六边形组成。其中五边形彼此不相联接只与六边形相邻。与石墨相似，每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻三个碳原子相连，剩余的p轨道在C60分子的外围和内腔形成π键。 (补充：C60双键数的计算方法由于每个孤立的碳原子周围有三个键（一个双键，两个单键）。而每个键却又是两个碳原子所共有，因此棱数=60×3×（1/2）=90 由于单键数+双键数=总棱边数单键数=2×双键数（即单键数为双键数的2倍）设单键数为a个，双键数为b个，则 a+b=90 a=2b 所以b=30）其他

论文富勒烯的研究进展

富勒烯的研究进展
摘要：富勒烯发现至今只有短短 20 年时间,由于其独特的结构和物理、化学性质,吸引了众多科学家的目光,因此在这 20 年中,使得 C60 化学得到了很大的发展.文章综述了富勒烯的几种合成方法，并阐述了目前常用的应用现状，最后对其未来的发展作了展望。关键词：无机富勒烯碳纳米管结构富勒烯 C90 生物富勒烯硅富勒烯电弧法芳烃分步凝聚相 Abstract: the fullerenes found so far only a short span of 20 years, because of its unique structure and physical and chemical properties, attracted the attention of many scientists, so in these 20 years, makes the C60 chemical got great development. The article summarizes the several synthetic methods of fullerenes, and expounds the present situation of the application of commonly used at present, finally made a prospect for its future development. 引言：富勒烯的发现始于 1985 年 Kroto 等【1】在高真空环境下激光溅射石墨的研究。利用这种方法只能产生数以千计的富勒烯分子,根本无法进行富勒烯详细的性质表征研究, 当然更谈不上应用。 1990 年,Krastchmer 等【2】发明了低压氦气环境下石墨电极电弧放电法合成富勒烯,能够得到克量级的 C60 产物。由于富勒烯特殊的结构和性能,在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有重要的研究价值和应用前景。1991 年富勒烯被美国《科学》杂志评为年度分子, 富勒烯被列为 21 世纪的新材料。此后,科学家经过不断的探索和研究,发明了更多生产富勒烯的方法,例如连续石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法
【3】
、引入铁磁性金属催化剂法【4、5】、高温等离子体石墨蒸发法【6、7】,苯高温火
焰燃烧法【8-10】等。而且富勒烯在日常生活中的应用越来越广泛, 因而富勒烯产品在未来社会具有很好的发展前景。
1.富勒烯的结构
因为 C60 是富勒烯家庭
[11]
中相对最容易得到、最容易提纯和最廉价的各类，因此
C60 及其衍生物是被研究和应用最多的富勒烯。通过质谱分析、X 射线分析后证明，C60 的分子结构为球形 32 面体[12]，它是由 60 个碳原子通过 20 个六元环和 12 个五元环连接而成的具有 30 个碳碳双键的足球状空心对称分子[13]，所以，富勒烯也被称为足球烯。C60 是高度的 Ih 对称，高度的离域大π 共轭，但不是超芳香体系，它的核磁共振碳谱只有一条谱线，但是它的双键是有两种，它有 30 个六元环与六元环交界的键，叫[6,6]键，60 个

内嵌富勒烯相关总结

内嵌富勒烯相关总结一、内嵌富勒烯种类内嵌富勒烯种类种类很多，一般按内嵌物种类来分，有：单金属内嵌富勒烯（La@C60、Sc@C82）、双金属内嵌富勒烯（La2@C80、Ce2@C72）、三金属内嵌富勒烯（Y3@C80）、金属氮化物内嵌富勒烯（Sc3N@C80）、金属碳化物内嵌富勒烯（Sc2C2@C84）、金属氧化物内嵌富勒烯（Sc4O2@C80）等。二、内嵌富勒烯和富勒烯反应活性对比内嵌富勒烯和富勒烯都可以发生很多反应，如：氧化还原反应、亲核亲电加成、周环反应等，他们的反应活性差异来自于内嵌富勒烯的内嵌物，内嵌物的不同对反应的影响也不同，要看内嵌物对富勒烯电子云密度会产生什么影响。三、Fe和Co的内嵌富勒烯产物 ①Fe的内嵌富勒烯产物合成并研究了M@C60（M=Na，Fe，Al）和C60的压缩力学性能，发现Na@C60，Fe@C60，Al@C60和C60的能量增量ΔE有Na @ C60> Fe @ C60> Al @ C60> C60的顺序。当M @ C60分子以小应变压缩时，Na@C60，Fe@C60和Al@C60分子的刚度具有Na@C60> Fe@C60> Al@C60的顺序，这表明三者的贡献嵌入的金属原子对C60的分子刚度符合Na> Fe> Al的顺序；然而，当M@C60分子被压缩而变形很大（l> 30％）时，Na@C60，Fe@C60和Al@C60分子的刚度具有不同的顺序Na @C60

有D5d点群对称性的富勒烯的情况下，Co5@Cn配合物的磁矩取决于富勒烯的尺寸和形状，以及碳笼中Co5簇的取向。四、分析内嵌富勒烯和富勒烯结构差异富勒烯：富勒烯的结构都是以五边形和六边形面组成的凸多面体，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。通常富勒烯的分子对称性较高。内嵌富勒烯：内嵌富勒烯和富勒烯的结构差异不大，唯一的区别就是结合了金属或其化合物，由于内嵌物的电子云对C的离域电子有影响，可能会改变C-C键的键长，同时由于内嵌物的存在，内嵌富勒烯对称性通常要比同样C数量的富勒烯低一些。

富勒烯简介

富勒烯诺贝尔博物馆里的富勒烯模型球碳，原名富勒烯（Fullerene，又译作福乐烯），又名巴基球或巴克球（Buckyball），是于1985年发现的继金刚石和石墨之后碳元素的第三种晶体形态，又一类碳的同素异形体。预言及发现 1985年,英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士（Sir Harold Walter Kroto，19 39年10月7日~）和美国科学家理查德·埃里特·史沫莱（Sir Richard Errett Small ey，1943年6月6日~）等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分子C60。为此，克罗托博士获得1996年度诺贝尔化学奖。结构克罗托受建筑学家理查德·巴克明斯特·富勒（Richard Buckminster Fuller，189 5年7月12日~1983年7月1日）设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发，认为C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为buckminster fullerene（巴克明斯特·富勒烯，简称富勒烯）。富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯。现已分离得到其中的几种，如C60 和C70等。在若干可能的富勒烯结构中C60，C240，C540和直径比为1:2:3。C60的分子结构的确为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键（C=C）的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯。球体直径约为710pm，即由12个五边形和20个六边形组成。其中五边形彼此不相联接只与六边形相邻。与石墨相似，每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻三个碳原子相连，剩余的p轨道在C60分子的外围和内腔形成π键。 (补充：C60双键数的计算方法由于每个孤立的碳原子周围有三个键（一个双键，两个单键）。而每个键却又是两个碳原子所共有，因此棱数=60×3×（1/2）=90 由于单键数+双键数=总棱边数单键数=2×双键数（即单键数为双键数的2倍）设单键数为a个，双键数为b个，则 a+b=90 a=2b 所以b=30）

富勒烯C60的研究及应用

富勒烯C60的研究及应用一纳米碳管的发现^ 碳元素作为自然界最普遍的元素之一, 以其特^有的成键轨道, 形成了丰富多彩的碳的家族。一直以^来人们认为自然界只存在三种碳的同素异形体: 金^刚石、石墨、无定形碳。1985 年Kro to, Smalley 等人^发现幻数为60 的笼状C60分子[1 ] , 其60 个碳原子分^别位于由20 个六边形环与12 个五边形环组成足球^状多面体的顶点上; 1990 年KratschmerW. 用石墨^电极电弧放电[2 ]首次宏观量地合成了C60, 其后, 球^形或椭球形的C70、 C76、C78、C82、C84 等又被相继发^现, 标志着碳的同素异形体的又一大家族富勒烯的^兴起。1991 日本N EC 的Iijima[3 ]用真空电弧蒸发石^墨电极, 并对产物作高分辨透射电镜(HREM ) , 发现^了具有纳米尺寸的碳的多层管状物——纳米碳管,^国内学者常称之为巴基管。巴基管的发现^掀起了续C60后富勒烯的又一次研究高潮。此后Ima S. [4 ]、Bethune D. [5 ]等人以Fe、Co 为催化剂进行^^电弧反应, 生长出了单层、半径1nm 的碳管, S.^Amelinckx 等[6 ] 采用金属催化热分解碳氢化合物^法, 制备出了螺旋状的纳米碳管。Ivanov V. 等[7 ]用^这一方法长出了长达50Lm 的纳米碳管等。纳米碳管以它独特的一维管状分子结构开辟了纳米材料的^新领域, 人们对于它的研究正方兴未艾。二纳米碳管的分子结构和性能^

什么是纳米碳管? ThomasW. 定义[8 ]是: 由单^层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管。每片纳^米管是一个碳原子通过SP2 杂化与周围三个碳原子^完全键合而成的、由六边形平面组成的圆柱面; 其平^面六角晶胞边长为2146A °, 最短的碳2碳键长^1142A °, 接近原子堆垛距离(1139A °)。多层纳米碳^管的层间接近ABAB ?堆垛, 片间距一般为^0134A °, 与石墨片间距基本相当。各单层管的顶端^由五边形或七边形参与封闭。由于其直径接近富勒^烯而长度很长(可达Lm 级) , 也可将它看作拉长的^富勒烯。用电弧法制备的纳米碳管外径一般为20— ^30nm [9 ] , 内径为1—3nm。用催化法时, 其片层少甚^至单层管(直径为112nm ) [4 ]. 纳米碳管长度一般可^达1Lm, 长径比100—1000, 完全可认为是一维分^子。纳米碳管多为多层管, 封闭而弯曲, 这是因为六^边形中引入了五边形和七边形。在生长过程中, 六边^形环需要在周边结点上加二个碳原子, 如碳供应减^少, 只进入一个碳原子, 结果形成五边形环, 引起正^弯曲; 反之, 碳原子高速流利于形成七边形环, 其有^三个碳原子进入成键, 引起负弯曲。纳米碳管的弯管^处引入五边形环和七边形整体才连续, 从拓扑学分^析在弯曲处五边形与七边形环应成对出现。^纳米碳管分螺旋和非螺旋两种。螺旋角指碳2碳^键与垂直于圆柱轴的平面所成的最小角。非螺旋的^纳米碳管指碳2碳键垂直于圆柱轴(螺旋角H= 0°) ,^此时卷曲方向[ 10 10 ]^3^; 或碳2碳键平行于圆柱轴^(螺旋角H= 30°) , 此时卷曲方向[11 20 ]^3^。非螺旋的^