富勒烯

富勒烯

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富勒烯材料

前言：

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。1985年Robert Curl等人制备出了C60。1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer 的实验证实了C60的笼型结构，从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似，所以称为富勒烯。

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即富勒烯分子，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为巴克明斯特·富勒烯。饭岛澄男早在1980年之前就在透射电子显微镜下观察到这样洋葱状的结构。自然界也是存在富勒烯分子的，2010年科学家们通过史匹哲太空望远镜发现在外太空中也存在富勒烯。“也许外太空的富勒烯为地球提供了生命的种子”。

在富勒烯的发现之前，碳的同素异形体的只有石墨、钻石、无定形碳（如炭黑和炭），它的发现极大地拓展了碳的同素异形体的数目。巴基球和巴基管独特的化学和物理性质以及在技术方面潜在的应用，引起了科学家们强烈的兴趣，

尤其是在材料科学、电子学和纳米技术方面。

命名

很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音译为巴基球，中国大陆通译为

富勒烯，台湾称之为球碳，香港译为布克碳；偶尔也称其为芙等；管状的叫做

碳纳米管或巴基管。富勒烯的中文写法有三种，以C 60为例，第一种是标准的写

法，即[60]富勒烯；第二种为碳60，60也不用下标，这是中文专用的写法；第

三种为C 60，与英文一致。

历史：

早在1965年，二十面体C 60H 60被认为是一种可能的拓扑结构。20世纪60年代

科学家们对非平面的芳香结构产生了浓厚的兴趣，很快就合成了碗状分子碗烯。

日本科学家大泽映二想到，也许会有一种分子由sp 杂化的碳原子组成，比如将

几个碗烯拼起来的共轭球状结构，实现三维芳香性。[4]他开始研究这种球状分

子，不久他得出这种结构可以由截去一个二十面体的顶角得到，并称之为截角

二十面体，就像足球的拼皮结构那样；他还预言了C n H n 分子的存在。大泽虽然在

1970年就预言了C 60分子的存在，但遗憾的是，由于语言障碍，他的两篇用日文

发表的文章并没有引起人们的普遍重视，而大泽本人也没有继续对这种分子的

研究，因而使得C 60的发现已经是15年以后的事了。

1970年汉森设计了一个C 60的分子结构，并用纸制作了一个模型。然而这种

碳的新形式的证据非常弱，包括他的同事都无法接受。因此这个结果并没有发

表，不过《碳》期刊在1999年确认了这个结果。富勒烯的第一个光谱证据是在

1984年由美国新泽西州的艾克森实验室的罗芬考克斯和科多发现的，当时他们

使用由莱斯大学理查德·斯莫利设计的激光汽化团簇束流发生器，用激光汽化

蒸发石墨，用飞行时间质谱发现了一系列C n （n=3，4，5，6）和C 2n （n>=10）的

峰，而相距较近的C 60和C 70的峰是最强的不过很遗憾，他们没有做进一步的研究，

也没有探究这个强峰的意义。1985年，英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博

士和美国赖斯大学的科学家理查德·斯莫利、海斯、欧布莱恩和科乐等人在氦

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

C 60。富勒烯的主要发现者们受建筑学家巴克敏斯特·富勒设计的加拿大蒙特利

尔世界博览会球形圆顶薄壳建筑的启发，认为C

60

可能具有类似球体的结构，因此将其命名为巴克明斯特·富勒烯，简称富勒烯（fullerene）。为此，克罗托、科尔和斯莫利获得了1996年度诺贝尔化学奖。在1990年前，关于富勒烯的研究都集中于理论研究，[5]因为没有足量的富勒烯用于实验，直到1990后，哈夫曼，

克拉策门和福斯迪罗伯劳斯等人第一次报道了大量合成C

60的方法，才使得C

60

的

研究得以大量展开。富勒烯的纯化对于化学家们是一个挑战，同时也在很大程

度上决定了富勒烯的价格。内嵌富勒烯是指在生成富勒烯的过程中将离子或小分子包到碳笼中。富勒烯的化学反应很特别，例如1993年发现的Bingel反应等。碳纳米管在1991被发现。

制备：

大量低成本地制备高纯度的富勒烯是富勒烯研究的基础，自从克罗托发现C

60

以来，人们发展了许多种富勒烯的制备方法。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铢、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，在惰性气氛下小碳分

子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳定的C

60

及高炭富勒烯分子，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

苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有C

60和C

70

，通过调整压强、气

体比例等可以控制C

60与C

70

的比例，这是工业中生产富勒烯的主要方法。

提纯：

富勒烯的纯化是一个获得无杂质富勒烯化合物的过程。制造富勒烯的粗产

品，即烟灰中通常是以C

60为主，C

70

为辅的混合物，还有一些同系物。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