简述富勒烯C60的结构及应用
C_60_的结构_性质_应用及其研究进展
C60的结构、性质、应用及其研究进展崔 科,董文魁,许 力,朱崇恩(兰州交通大学化学与生物工程学院,甘肃兰州 730070)摘 要:C60的发现及其表现出来的优异性能使其成为人们研究的热点,并取得了重大研究进展。
本文综述了C60的主要性质、应用以及近年来国内外的研究进展。
关键词:C60;主要性质;研究进展中图分类号:O613.71 众所周知,碳元素有两种同素异形体-金刚石,石墨。
1970年,日本科学家小泽预言,自然界中碳元素还应该有第三种同素异形体存在。
经过世界上各国科学家15年的不懈努力和艰苦探索,终于在1985年由美国Rice大学的K roto等人在激光汽化石墨实验中,首次发现含有60个碳原子的原子簇,命名为C60,其英文名称为Buckminster-fullerenes。
K roto等人也因此获得1996年的诺贝尔化学奖。
1 C60的化学结构C60具有笼形结构,在物理及化学性质上可看作三维的芳香化合物,分子立体构型属于D5h点群对称性,杂化类型为sp2.28有一定的sp3性质,三维大p键共轭形成碳笼。
C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构,共有60个顶点,分别由60个碳原子所占有,经证实它们属于碳的第三种同素异形体,命名为富勒烯(Fullerene),因酷似足球又称作足球烯(见下图)。
2 C60的主要性质及应用C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的6:6双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。
C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。
2.1 超导体超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。
C60分子本身是不导电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体,如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。
C60的生物化学
C60的生物化学富勒烯在生物医药方面的应用一直是热门研究课题之一，C60是一种十分理想的药效团载体，它可以与大量试剂反应，具有独特的三位拓扑结构，并与已知的药物分子具有相似的尺寸，大量研究表面，C60 及其衍生物在酶抑制、抗病毒、DNA切割、光动力疗法等方面均有广阔的应用前景。
C60 独特的结构赋予它许多特殊的物理、化学性质。
如C60 通过光诱导产生单重态氧高达100%,被喻为单重态的发生器；C60 极易与游离基反应，被喻为吸收游离基的海绵；C60 的体积与HIV 病毒活性中心的孔穴大小相匹配，又可能堵住洞口，切断病毒的营养供给；C60有30个双键，可以发生多种化学反应，是药物设计的理想基体，可以根据需要接上多种基团，人们把C60 喻为药物设计中的化学针插。
C60的这些特性引起了生物化学家、药物学家的浓厚兴趣，并已在富勒烯及其衍生物的生物活性方面取得了一些令人振奋的结果。
一、抗病毒作用人体免疫缺损蛋白酶（HIV-1`protease HIVP）被认为是抗病毒疗法中主要抑制对象，富勒烯具有抑制HIVP 活性的功效，而抑制HIVP活性是研究治疗艾滋病的关键。
HIVP的活性部分可以近似的描述为一个敞开式圆柱体，线性排列着疏水氨基酸，线性圆柱体的半径和一个C60 分子几乎相同，但由于富勒烯分子是非极性的，因此将其制备成水溶性的C60 或者其衍生物后，就可以嵌入HIVP 的活性中心。
C60衍生物的疏水部分与HIVP 的活性部位结合相互起来，亲水部分（极性基团）则在膜表面形成溶剂化层，阻断了HIVP 的活性中心，从而达到抑制HIVP 的目的。
二、致使DNA 裂解核酸含有生物遗传信息，是一类重要的生物分子，它包括脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA两大类，而DNA的裂变将引起细胞凋亡，致使生物体变异。
富勒烯具有光物理特性，有很深的颜色，在UV 和可见光区显示了丰富的光化学行为，在光的激发下，三线态C60可产生约一个单位能量，通过能量转换，可形成高产量的单线态氧1O2。
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 °)。
实验10富勒烯C60的制备及其在光电体系中的应用
实验10 富勒烯C60的制备及其在光电体系中的应用实验目的1.了解掌握富勒烯的制备过程和原理。
2.了解掌握富勒烯纳米材料如纳米棒的制备过程。
3.测试并了解富勒烯纳米材料如纳米棒的光电性能和原理。
实验原理碳原子簇制备方法概述富勒烯(Fullerenes)是笼状碳原子簇的总称, 包括C60、C70以及多种大尺寸富勒烯，以及内嵌金属或团簇富勒烯等, 它们的不同形态结构如图1所示。
近年来, 由于富勒烯在超导、非线性光学、光伏/光电、催化剂及纳米复合材料等诸多领域显示出潜在应用前景并受到广泛关注。
富勒烯的研究涉及到物理、化学、材料等相关领域, 是一个前沿性的多领域交叉学科。
图1为富勒烯C60(左)和C70(右)的结构示意图。
图1. 富勒烯C60(左)和C70(右)的结构示意图。
自1985年Kro to等发现C60以来,各种富勒烯的制备方法不断出现。
研究者们为了提高富勒烯的产率,不断改进工艺技术,尝试新的生产方法。
到目前为止,制备富勒烯的方法主要有两大类:蒸发石墨法和火焰（加热）法。
（1）蒸发石墨法蒸发石墨法又分激光蒸发石墨法电弧法、等离子体蒸发石墨法等,它们的区别在于加热方式的不同。
蒸发石墨法制备富勒烯的关键在于:反应区域温度足够高,能够蒸发出游离态的碳,供富勒烯形成。
（2）激光蒸发石墨法1985 年，Kro to等用激光蒸发石墨法发现了C60和C70，并预言了它们的结构和性质。
图2是其原始反应装置图。
图2.激光蒸发石墨装置示意图。
1—蒸发用激光,2—氦气,3—旋转的石墨圆盘,4—整合容器。
装置中通入的氦气作为保护气体，压强为1M Pa。
装置处于工作状态时，激光束打在旋转的石墨圆盘上，使石墨圆盘受热蒸发出游离态的碳，游离态的碳与通入的氦气一起进入整合容器中，相互碰撞形成C60和C70,含有C60和C70的碳灰在喷嘴处被收集。
Kroto等用飞行时间质谱仪分析产物, 发现了C60和C70的存在。
但是这种方法的缺点是制备量很小，不能获得足够量的C60和C70进行研究。
C60介绍
C60及其化合物
碳元素的第三种晶体形态－富勒烯
1985年，Kroto等严格控制实验条件，获得了C60为主的质谱图，受建筑学家Fuller的启发，提出了C60。
C60又称富勒烯，由60个碳原子构成球形32面体，其中12个为等边无边形，20个为等边六边形，它是一种封闭的笼状结构（如下图所示）。
经测得直径为0.7nm。
科学家对C60的正多面体形成过程的
认识：从正20面体去顶，可以变形为正
32面体，其中12个为正五边形，20个
为正六边形。
（如右图所示）
C60的应用：极好的润滑剂，其衍生物应用
于超导半导体和催化剂。
富勒烯笼中可包含单个的金属离子K，
Na，Cs，La，Ca，Ba，Sr和U，生成富勒
烯的包含物C60M n+。
（左图为C60K3的结构
式）
C60中有多少个双键？（如右图所示）
C60＋30F2＝C60F60（白色粉末）
因为C60与F2反应最终得C60F60，证明打
开了30个双键。
经X射线衍射法测定，球形C60
也是面心立方密堆积结构，每个立
方面心晶胞中含有4个C60分子。
C60是分子晶体，球体间联系靠的是
范德华力，故熔沸点低，硬度较小，
不导电，是绝缘体。
富勒烯的笼状结构系列研究，如今已获知C70，C240，C540等。
(如下图所示）
C60的化合物
C60H60，尚未问世，然而心急的化学
家已给它起了一个名字叫做Fuzzyball。
（如右图所示）
C60与铂反应合成了新的加合物，如
左图，为它的结构，有6个Pt原子直接
与碳原子相连。
富勒烯C60衍生物的结构、性质、-----制备及其应用综述
富勒烯C60衍生物的结构、性质、-----制备及其应用综述有机化学课程小论文课题名称：富勒烯C60衍生物的结构、性质、制备及其应用综述学生姓名：学号：指导教师：2011年1月13日目录摘要： (I)关键词： (I)Abstract: ....................................................... I IKey world:.................................................... I I 1.前言 (1)1.1概述 (1)1.2选题的意义 (1)2.富勒烯C60衍生物的结构、性质、制备及其应用 (2)2.1富勒烯C60衍生物的结构 (2)2.1.1金属富勒烯的结构 (2)2.1.2 C60吲哚衍生物的结构 (3)2.1.3 C60杂环衍生物的结构 (3)2.1.4 C60含氮衍生物的结构 (4)2.1.5 C60-TTF衍生物结构 (4)2.2富勒烯C60衍生物的性质 (4)2.2.1 金属富勒烯的性质 (4)2.2.2 C60吲哚衍生物的性质 (5)2.2.3 C60杂环衍生物的性质 (5)2.2.4 C60含氮衍生物的性质 (5)2.2.5 C60-TTF衍生物的性质 (5)2.3富勒烯C60衍生物的制备 (5)2.3.1 C60吲哚衍生物的制备 (5)2.3.2 C60杂环衍生物的制备 (6)2.3.3 C60含氮衍生物的制备 (8)2.3.4 多受阻酚富勒烯衍生物的合成.. 82.3.5 布基球烯衍生物C60Br24和La@C60的高效制备 (8)2.3.6亚甲基[6,6]-Fullerene[C60]单羧酸衍生物的合成 (9)2.4富勒烯C60衍生物的表征、分离、自组装 (9)2.4.1 C60衍生物的表征 (9)2.4.2 C60衍生物的分离 (10)2.4.3 C60衍生物的自主装 (10)2.5富勒烯C60衍生物的应用 (11)2.5.1 C60衍生物在生物领域的应用.. 112.5.2 C60衍生物在光、电、磁方面的开发应用 (11)2.5.3 C60高分子衍生物在摩擦学方面的应用 (12)2.5.4 新型C60衍生物/Ag复合纳米材料 (12)2.5.5C60衍生物在其它方面的应用 (12)3.结语与展望 (13)[参考文献] (14)富勒烯C60衍生物的结构、性质，制备及其应用综述摘要：本文根据C60所加成的官能团不同而形成的各种不同衍生物进行了分类。
富勒烯C60衍生物的结构、性质、制备及其应用综述
有机化学课程小论文课题名称：富勒烯C60衍生物的结构、性质、制备及其应用综述学生XX：学号：指导教师：2011年1月13日目录摘要：I关键词：IAbstract:IIKey world:II1.前言11.1概述11.2选题的意义12.富勒烯C60衍生物的结构、性质、制备及其应用22.1富勒烯C60衍生物的结构22.1.1金属富勒烯的结构22.1.2 C60吲哚衍生物的结构32.1.3 C60杂环衍生物的结构32.1.4 C60含氮衍生物的结构42.1.5 C60-TTF衍生物结构42.2富勒烯C60衍生物的性质42.2.1 金属富勒烯的性质42.2.2 C60吲哚衍生物的性质52.2.3 C60杂环衍生物的性质52.2.4 C60含氮衍生物的性质52.2.5 C60-TTF衍生物的性质52.3富勒烯C60衍生物的制备52.3.1 C60吲哚衍生物的制备52.3.2 C60杂环衍生物的制备62.3.3 C60含氮衍生物的制备82.3.4 多受阻酚富勒烯衍生物的合成82.3.5 布基球烯衍生物C60Br24和LaC60的高效制备82.3.6亚甲基[6,6]-Fullerene[C60]单羧酸衍生物的合成92.4富勒烯C60衍生物的表征、分离、自组装92.4.1 C60衍生物的表征92.4.2 C60衍生物的分离102.4.3 C60衍生物的自主装102.5富勒烯C60衍生物的应用112.5.1 C60衍生物在生物领域的应用112.5.2 C60衍生物在光、电、磁方面的开发应用112.5.3 C60高分子衍生物在摩擦学方面的应用122.5.4 新型C60衍生物/Ag复合纳米材料122.5.5C60衍生物在其它方面的应用123.结语与展望13[参考文献]14富勒烯C60衍生物的结构、性质，制备及其应用综述摘要：本文根据C60所加成的官能团不同而形成的各种不同衍生物进行了分类。
综述了各种不同衍生物的结构、性质、制备及其应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
简述富勒烯C60的结构及应用
C60为60 个碳原子组成的球形32 面体，其中有12 个五边形面和20个六边形面，60个顶点分别由60个碳原子占据，与足球结构类似，所以也称之为“足球烯”。
C60分子点群为Ih，具有五重对称性，分子中60 个碳原子完全等价。
由于球面弯曲效应和五元环的存在，碳原子的杂化方式介于石墨晶体中sp2和金刚石中sp3杂化之间。
分子中共含有30 个双键和60 个单键，以达到稳定结构。
其中C60分子中五边形的边长为146pm，六边形的短边边长为139pm，介于C- C 单键键长154pm 和C= C 双键键长134pm 之间C60的结构特点决定着它具有特殊的物理化学性能，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0化合物而表现出十分良好的超导性能，过渡金属富勒烯C60化合物表现出较好氧化还原性能。
在高压下C60可转变为金刚石，开辟了金刚石的新来源。
以富勒烯C60为基础的催化剂，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。
碳纳米管的制备方法
①激光蒸发法
在 1 200 ℃的电阻炉中, 由激光束蒸发石墨靶, 流动的氩气使产物沉积到水冷铜柱上。
但此法制备纳米碳管的成本较高, 难以推广应用。
②催化裂解法
催化裂解法是在600~1 000 ℃的温度及催化剂的作用下, 使含碳气体原料(如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙稀和苯等)分解来制备碳纳米管的一种方法。
此方法在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子,碳原子在过渡金属-催化剂作用下, 附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。
③化学气相沉积法
化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,简称CVD), 基本原理为含碳气体流经催化剂表面时分解, 沉积生成纳米碳管。
这种方法具有制备条件可控、容易批量生产等优点, 自发现以来受到极大关注, 成为纳米碳管的主要合成方法之一。
④模板法
模板法通常是用孔径为纳米级到微米级的多孔材料作为模板, 结合电化学、沉淀法、溶胶-凝胶法和气相沉淀法等技术使物质原子或离子沉淀在模板的孔壁上形成所需的纳米结构体。
⑤凝聚相电解生成法
该方法采用石墨电极(电解槽为阳极), 在约600 ℃的温度及空气或氢气等保护性气氛中, 以一定的电压和电流电解熔融的卤化碱盐(如LiCI), 电解生成了形
式多样的碳纳米材料, 包括包裹或未包裹的碳纳米管和碳纳米颗粒等, 通过改变电解的工艺条件可以控制生成碳纳米材料的形式。
还有等离子体喷射沉积法、火焰法、水中电弧法、太阳能法、低温固体热解法等方法。