富勒烯介绍(新材料资料2)
富勒烯材料简介
新型富勒烯发光材料
润滑剂 化妆品 电荷转移复合物 表面涂层 催化剂
化学应用
富勒烯及其衍生物 的应用 电 学 应 用
碳薄膜 电泳显示 隧道二极管 光聚合物 导电物质 双层电容器和储存物质
发展与展望
1.富勒烯的研究已经渗透到化学、物理、生命、科学、 材料科学等众多学科领域，富勒烯的衍生化研究相对 较熟； 2.从发展趋势看，当前富勒烯的研究主要集中在:新型 富勒烯的制备及其机理研究，功能富勒烯衍生物的制 备、性能及应用研究，新的富勒烯反应及机理研究等 方面； 3.由于C60 表面含有30 个双键，其环加成反应中会生 成多加成产物，对它们的分离纯化以及选择性合成等 也是以后需要解决的问题；
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。
4.如果在生物环境即水溶液环境中的溶解度得到根 本解决，富勒烯衍生物在生物、药物领域的应用将 更为广阔。 5.富勒烯由于其独特的结构和化学物理性质，已对 化学、物理、材料科学产生了深远的影响，在应用 方面显示了诱人的前景。随着研究的不断深入，碳 原子簇将要给人类带来巨大的财富。
富勒烯在化妆碳纳米管（C90)：直径0.7nm，长度为1.1纳米，呈D5h高度对称性。 （浙大与美 国加州大学合作）
C70：（除C60以外最稳定的富勒烯），它的12个五元环全部分散在碳笼的 两级位置，而赤道部位则全部由六元环所组成，其结构与碳纳米管十 分相似。 石墨烯：从石墨中一层一层剥离出来的单层的石墨（类似一个碳原子的薄片） 它是以Sp2轨道杂化的碳原子形成的单层原子蜂窝状六角平面晶体， 六边形的每个点上都是相同的碳原子。其厚度为0.335nm，只有一 根头发丝直径的万分之一，是目前世界上存在的最薄的材料。 石墨烷：氧化石墨烯
富勒烯的结构性质及用途
富勒烯的结构、性质及用途2009210349焦珂，化学中最常说的一句话便是：结构决定性质，性质决定用途。
富勒烯——C60这一神奇的物质，自从发现以后就受到科学家的密切关注，积极探索它的用途，在超从而为人类生产生活带来更大的便利。
正是由于其特殊的结构和性质，C60导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应用。
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。
性质①颜色与性状：C60在室温下为紫红色固态分子晶体，有微弱荧光；②分子大小：C60分子的直径约为7.1埃（1埃= 10的负十次幂米）；③密度：C60的密度为1.68g/cm3；④溶解性：C60不溶于水等强极性溶剂，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；⑤导电性：C60常态下不导电。
因为C60大得可以将其他原子放进它内部，并影响其物理性质，因而可导电。
另外，由于C60有大量游离电子，所以若把可作β衰变的放射性元素困在其内部，其半衰期可能会因此受到影响。
⑥化学性质氧化还原反应：在光照的条件下将C60与O2反应生成环氧化物C60O，但这种环氧化物不稳定，用矾土分离时能还原成C60。
加成反应：C60可以与氢或卤素单质进行加成。
把其完全氢化便得绒毛球烷（Fuzzyball），化学式为C60H60（加成进的氢原子有可能C60在笼内也可能在C60外部）。
烷基自由基R可与C60反应生成RC60加和物，RC60可生成C60直接键和哑铃状二聚体RC60-C60R。
与金属的反应：C60与金属的反应分为两种情况：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)C60碳笼内配合物生成反应。
纳米碳材料--富勒烯
富勒烯（Fullerene）是一种球状的碳化合物，与石墨、金刚石一样，是碳的同素异形体。
Kroto,Smalley和Curl等人首次观察到了C60的结构，并共同获得了1996年的诺贝尔化学奖。
随后，人们又发现了C60簇分子C28、C34、C70、C84、C90、C120等，学术界将这种笼状碳原子簇统称为富勒烯。
结构特点
最常见的富勒烯C60独特的分子结构决定了其具有独特的物理化学性质，富勒烯的60个P轨道构成的大π键共轭体系使得它兼具有给电子和受电子的能力。
C60是特别稳定的芳香族分子，C-C单键和C=C双键交替相接，整个碳笼表现出缺电子性，可以在笼内、笼外引入其它原子或基团。
C60富勒烯VS C70富勒烯分子结构
C60能发生一系列化学反应，如亲核加成反应、自由基加成反应、光敏化反应、氧化反应、氢化反应、卤化反应、聚合反应以及环加成反应等。
据报道迄今为止环加成反应在所有富勒烯化学修饰反应中是最多的, 由此可以合成多种类型的富勒烯衍生物。
应用领域
富勒烯的应用领域
富勒烯是一种卓越的电子受体，具有n型半导体的特性，作为电子载体的有机电子材料广泛应用于各种研究中。
由于未经修饰的富勒烯溶解性较差，而通过化学反应引入溶解性高的官能团，可以制备出可溶液加工的电子材料。
比如，苯基-C61-丁酸甲酯([60]PCBM(P121601)和茚-C60二加合物([60]ICBA(I157576))都是有效的n型有机半导体，且与p型共轭聚合物混合后，可以用来制造有机太阳能电池(OPV)。
另外，富勒烯衍生物也曾应用在有机晶体管中。
富勒烯材料
4.富勒烯的种类
巴基球团簇：最小的是C20 （二十烷的 不饱和衍生物）和最常见的C60； 碳纳米管：非常小的中空管，有单壁和 多壁之分;在电子工业有潜在的应用； 巨碳管：比纳米管大，管壁可制备成不 同厚度，在运送大小不同的分子方面有 潜在价值； 聚合物：在高温高压下形成的 链状、二 维或三维聚合物。 纳米“洋葱”：多壁碳层包裹在巴基球 外部形成球状颗粒，可能用于润滑剂；
5.富勒烯的结构和性质
• 富勒烯晶体（如C60固体）由于是由一个个分子堆砌形成 的，分子本身的化学键已达到饱和和封闭，不需要其他原 子来满足其表面化学键的要求.因此从这种意义上说，富勒 烯是今天已知有限大小的唯一稳定形式的纯碳. • 超导性： 经过适当的金属搀杂后的C60表现出良好的导电性和 超导性。1991年3月美国贝耳实验室首先报道搀钾后的 K3C60具有超导性，其临界温度为18K。 光学性质： C60和C70的甲苯溶液在低光强下遵守朗伯—比尔定 律，透射比不随光强度增加而变化，但当光强超过 100mJ/cm2时，透射比显著下降，并保持在65mJ/cm2。
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5.富勒烯的结构和性质
• C60的分子结构为球形32面体，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，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，他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 个五元环与六元环交界的键，叫[5,6]键。[6,6]键相对[5,6] 键较短，C60的X射线单晶衍射数据表明，[6,6]键长是 135.5皮米，[5,6]长键是146.7皮米，因此[6,6]有更多双键 的性质，也更容易被加成，加成产物也更稳定，而且六元 环经常被看作是苯环，五元环被看作是环戊二烯或五元轴 烯。C60有1812种个异构体。
富勒烯是什么
富勒烯是什么
富勒烯是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。
富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环。
根据碳原子的总数不同，富勒烯可以分为C₂₂、C₂₂、C₂₂、C₂₂、C₂₂等。
其中，最小的富勒烯是C₂₂。
C₂₂高度对称的笼状结构使其具有较高的稳定性，因此在富勒烯家族中研究最为广泛。
富勒烯因其独特的零维结构，是近年来最重要的含碳纳米材料之一。
同时，富勒烯具有特殊的光学性质、电导性及化学性质，因此富勒烯及其衍生物在电、光、磁、材料学等方面都得到了广泛的应用。
2022年11月，中国矿业大学科研团队发现外径约55纳米的天然洋葱状富勒烯，即“碳洋葱”，这是目前地球上发现的最大的天然“碳洋葱”。
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。
富勒烯的性质及应用
富勒烯的性质及应用富勒烯是一种由碳原子构成的球形分子，其最早由美国化学家Richard Smalley 和Robert Curl等人于1985年发现。
富勒烯最著名的形态是C60富勒烯，也被称为布克明球。
除了C60富勒烯外，还有其他形态的富勒烯，如C70、C84等。
富勒烯具有许多独特的性质，使其被广泛研究和应用。
首先，富勒烯具有高度的化学稳定性和热稳定性，可以在高温和强酸碱条件下保持其结构完整。
其次，富勒烯具有特殊的电子结构和电子传输性质，可以在光学、电子和磁学等领域发挥重要作用。
此外，富勒烯还具有良好的导电性、导热性和机械强度，可以应用于电子器件、催化剂等领域。
富勒烯的应用十分广泛。
首先，富勒烯在材料科学领域具有广阔的应用前景。
由于富勒烯独特的结构和性质，可以用于制备各种材料。
例如，将富勒烯与聚合物复合可以获得高性能的聚合物材料，其具有优异的力学性能和导电性能。
此外，富勒烯还可以与金属或半导体材料复合，获得具有特殊功能的材料，如光伏材料、光电转换器件等。
其次，富勒烯在生物医学领域也具有广泛的应用潜力。
富勒烯可以通过表面修饰和功能化处理，使其具有良好的生物相容性和靶向性。
因此，富勒烯可以作为药物载体用于药物输送系统，将药物精确地送达到疾病部位。
此外，富勒烯还可以作为抗氧化剂和免疫增强剂，用于治疗癌症、炎症等疾病。
富勒烯还可以应用于能源领域。
由于富勒烯具有良好的光电性能和光吸收能力，可以应用于太阳能电池和光电器件。
研究者们正在探索如何利用富勒烯来提高太阳能电池的效率和稳定性，以实现可持续能源的利用。
此外，富勒烯还具有催化剂的独特性质，可以应用于化学合成和环境净化等方面。
例如，富勒烯可以作为催化剂用于有机合成反应中，如氢化反应、氧化反应等。
此外，富勒烯还可以作为吸附剂用于净化水和空气中的有害物质，如重金属离子、有机物等。
总之，富勒烯作为一种独特的碳纳米材料，具有许多独特的性质和应用潜力。
在材料科学、生物医学、能源和环境等领域，富勒烯都有着广泛的应用前景。
富勒烯光催化析氢
富勒烯光催化析氢摘要：1.富勒烯的概述2.光催化析氢的原理3.富勒烯光催化析氢的应用4.我国在富勒烯光催化析氢领域的研究进展5.富勒烯光催化析氢的未来发展前景正文：一、富勒烯的概述富勒烯（Fullerene）是一种碳的同素异形体，其分子结构呈球状，由多个碳原子通过共价键连接而成。
富勒烯分子中每个碳原子都与其他碳原子形成六角形，并共享电子对，使其具有高度的稳定性。
富勒烯在1985 年被发现，因其独特的结构和性质，被认为是21 世纪最具潜力的新材料之一。
二、光催化析氢的原理光催化析氢是一种利用光能将水分解为氢气和氧气的过程。
光催化析氢的关键是寻找一种能够吸收光能并催化水分解的催化剂。
富勒烯作为一种碳纳米材料，因其高稳定性、大比表面积和优良的光学性能，被认为是一种理想的光催化析氢催化剂。
三、富勒烯光催化析氢的应用富勒烯光催化析氢技术在能源、环境等领域具有广泛的应用前景。
首先，氢气是一种清洁的能源，可以用于燃料电池、氢气燃烧等。
通过富勒烯光催化析氢技术，可以获得高纯度的氢气，从而实现绿色能源的利用。
其次，光催化析氢技术可以用于水分解制氧，为水产养殖、医疗等领域提供氧气。
四、我国在富勒烯光催化析氢领域的研究进展我国在富勒烯光催化析氢领域的研究取得了显著成果。
研究人员已经成功制备出多种富勒烯光催化剂，并在光催化析氢性能上取得了突破。
此外，我国还积极推动富勒烯光催化析氢技术的产业化进程，为实现能源转型和环境保护做出贡献。
五、富勒烯光催化析氢的未来发展前景随着科学技术的进步和社会对可持续能源的需求，富勒烯光催化析氢技术在未来将取得更大的发展。
研究人员将继续优化富勒烯光催化剂的性能，提高光催化析氢的效率。
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生物医学应用
生物医学应用
Magnetic Resonance Imaging (MRI)
诺贝尔化学奖
诺贝尔物理学奖
碳的存在形式
(a) 金刚石 (sp3) (b) 石墨(烯) (sp2) (c) 富勒烯 (sp2+sp3)
(e)石墨炔(sp2+sp3)
(d) 纳米管(sp2+sp3)
富勒烯的各种形态
Ca@C50
La2@C80
内嵌富勒烯
内嵌富勒烯
Ca@C50
La2@C80
Y@C82
Sc2C2@C82
均相催化与多相催化统一于 富勒烯：高活性；高选择性，理想产物选择 性100%；长寿命，连续5次100小时测试，活性保持；回收方便。
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农业方面应用
合成氨催化剂
1 + Na2S2O4 + N2 → NH3 (yield in 33%)
Y. Nishibayashi, et al. Nature, 2004, 428, 279
Nature 1998 , 396, 323
富勒烯的各种形态
富勒烯一维聚集体
富勒烯的各种形态
富勒烯二维单分子膜
I 密实纳米线 II 实壁纳米管 III 多孔纳米线 IV 多孔壁纳米管
富勒烯应用举例
富勒烯的广泛应用
化妆品; 磁体; 消毒剂; 纺织物
医药 纳米器件 造影剂
内嵌分子
自由基捕捉
光吸收
Sc3N@C80
富勒烯的各种形态
杂富勒烯
富勒烯的各种形态
杂富勒烯
C48N12
C59Si
C58Si2
富勒烯的各种形态
富勒烯衍生物
富勒烯的各种形态
富勒烯晶体
富勒烯的各种形态
富勒烯与纳米管形成的豆荚结构
Brian W. Smith, Marc ,Monthioux, David E. Luzzi
CHORUS 卡若絲 -德國百妮富勒烯完美 极致美颜富勒烯
富勒烯精華液 潤肌精華
C60动能原液组
SHINNINGWAY 富勒烯（ C60）完美女人菁华组
富勒烯民用产品系列
新能源方面
燃料电池
特点：比表面大，电化学氧化还原窗口大 ，C60薄膜掺杂Pt粒子后甲醇氧化反应效 率明显提高
K. Vinodgopal, et al Nano Lett. 2004, 4, 415
1-phenyl-1-propyne (PP)
0%
0.5%
8000
1.3%
77.3% 17000
4.0%
80.3% 12000
1-phenyl-1-butyne (PB)
0%
5.3% 15000
2.5%
99.5% 43000
5.7%
87.9% 171000
工业方面应用
富勒烯用于氢键催化Henry 反应
13.549nm
富勒烯化妆品的制备
+
C60
PVP
粗产物 C60-PVP(FP)水溶液
富勒烯化妆品的制备
FP保护作用 H2O2损伤细胞
FP修复作用
1、FP对细胞的保护作用优于修复作用 2、FP在本实验条件下20-50μM的浓度下效果较佳
军工方面应用
火箭推进剂
富勒烯在科研上应用 量子计算机
生物医学应用
C60-压电晶体葡萄糖传感器可以探测水溶 液中3.9X10-5M的葡萄糖，使用寿命长达3 个月
葡萄糖传感器
富勒烯运载基因
In vivo gene delivery by cationic tetraamino fullerene PNAS 2010 107 (12) 53395344;
滤光片 荧光显示 量子点
TNT检测 沙林检测 生物检测
高效吸附
超导 半导体
超导体 场发射 纳米器件
2次电池 太阳能电池 武器级激光 催化剂
电子受体
DNA亲和
完美结构
DNA剪裁;基因运载;分子药物
润滑剂 复合材料 超硬材料 量子特性
富勒烯在工业上应用
润滑油添加剂
工业方面应用
高分子聚合
Polymerization of 1-Phenyl-1alkynes (PA) by WCl6-Ph4Sn(-C60)
添加剂品种：橡胶 抗老化 高强度高弹性 降摩擦耐亏蚀 与钢材、水泥和塑料等结合力强 热稳定性高 阻燃性好 光稳定性好
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有机太阳能器件
Solar Cells Ideal fullerene/polymer blend
C60-based Solar Cell
Chem. Commun., 2012
NC60BA富勒烯光伏器件
富勒烯应用
➢ 光伏器件 ➢ 生物医学 ➢ 高分子添加剂
高分子添加剂
添加剂品种：尼龙 抗静电，提高几个数量级 提高介电常数和击穿电压 提高强度（拉伸模量高达15GPa）和硬度 降低摩擦系数和磨蚀率（2-4倍） 提高软化、熔融和损毁温度50度 降低热传导和吸湿性1.5-2.5倍
添加剂品种：聚苯乙烯 抗静电 宽频声波吸收 抗菌性 提高强度和柔性 降低摩擦系数和磨蚀率 提高软化、熔融和损毁温度 降低热传导和吸湿性
人头皮皮下毛囊细胞
美国Luna 公 司用每毫升 10微克的富 勒烯衍生物涂 抹人头皮14 天, 对比结果 见左图. 研究 结果表明用富 勒烯处理的人 头皮局部区域 毛囊生长旺盛 。
C.L. Kepley等 Nanomedicine 5, 2009, 202
富勒烯在日常生活中的应用
富勒烯长寿保健
存活率
components in the sol-gel mixture is shown on the right for comparison. C60 content (wt %): (A) 0.10, (B) 0.52, (C) 0.0097.
滤光片
军工方面应用
富勒烯的应用——激光防护
C60分子中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学性 能，从而有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用，目前基于 C60光电导性能的光电开关和光学玻璃已研制成功。
Yu G. et al., Science, 1995, 270, 1789
新能源方面应用
奥地利开发的1.9微米厚有机 太阳能电池
美国Konarka公司的有机太阳能电池
富勒烯国内应用举例
美国Konarka公司的有机太阳能电池
奥地利开发的1.9微米 厚有机太阳能电池
例2：富勒烯是有机太阳能电池的关键材料，占活性材料75%以上。近期日本有机太阳 能电池能量转换效率已达10.1%，奥地利又报道了厚度只有1.9微米厚的电池。中科院 长春应化所正在研制印刷有机太阳能设备。
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C60/PA polymer yield Mw
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军工方面应用
化学激光武器
军工方面应用
光限幅材料
Photographs of the sol-gel glasses HxC60[NH(CH2)3SiO3/2]x–SiO2 (4–SiO2), in which the fullerene moieties are covalently bound to the glass substrates (left and middle). A glass of C60/SiO2 (8) made from physically blending the two
富勒烯在日常生活中的应用
1992年, Dr. McEwen (JACS) 第一次提出 “自由基海绵”
富勒烯在日常生活中的应用
❖ 富勒烯C60在美容化妆品方面应用
抗自由基、抗氧化、淡斑美白，抑制发炎等化妝水
蝶翠诗DHC极 致恒美美容霜
黃金富勒烯玻尿 酸抗氧純液
抗紫外光损伤
Saitih 等，J. Photochem. And Photobio. B: Biology, 102, 69, 2011
富勒烯抗链球菌感染
Tsao等, Antimicrobial Agent and Chemotherapy, 2001, 1788
富勒烯生发功能
放大4倍的人头皮显微图像
MRI in a hospital
The magnet
What can we see?
生物医学应用
磁共振造影剂
Gd@C82(OH)x
a. 低毒
b. 高效 可早期检测肿瘤
2cm
0.5cm
c. 生物器官靶向造影
166Ho@C82-抗癌抗体 高效化疗
磁共振造影剂的研究
富勒烯衍生物保护细胞功能研究
富勒烯可以保护细胞免受各种损伤：
✓ 抑制化学毒物毒性 ✓ 抗辐射 ✓ 防紫外光伤害 ✓ 重金属细胞损伤防护 ✓ 抗细胞氧化 ✓ 抗细菌感染 ✓ 。。。。。
化学物质对于细胞的损伤
化学毒物对于细胞的毒性一般都是通过在细胞内释放自由基----主要是活性氧，引起DNA损 伤，富勒烯能够穿透细胞膜到达细胞内，快速淬灭这些自由基，起到防护细胞的作用