富勒烯材料的簡(jiǎn)介富勒烯材料的簡(jiǎn)介宇宙中發(fā)現(xiàn)的碳的同素異形體--石墨烯與富勒烯富勒烯誘導(dǎo)體作N型半導(dǎo)體網(wǎng)球拍富勒烯外包裝你知道嗎？富勒烯在生活中無(wú)處不在宇宙中發(fā)現(xiàn)的碳的同素異形體--石墨烯與富勒烯富勒烯誘導(dǎo)體作N富勒烯材料目錄1.富勒烯的命名2.富勒烯的歷史3.富勒烯的制備與提純4.富勒烯的種類5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)6.富勒烯的其他相關(guān)7.富勒烯的應(yīng)用與發(fā)展前景富勒烯材料目錄1.富勒烯的命名1985年，Kroto等采用質(zhì)譜儀研究激光蒸發(fā)石墨電極粉末，發(fā)現(xiàn)在不同數(shù)量碳原子形成的碳簇結(jié)構(gòu)中包含六十個(gè)和七十個(gè)碳原子的團(tuán)簇具有更高的穩(wěn)定性，于是提出由六十個(gè)碳原子構(gòu)成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：由12個(gè)五元環(huán)和20個(gè)六元環(huán)組成的類似足球的空心球狀結(jié)構(gòu)（如下圖），由于它是由60個(gè)碳原子組成的，所以稱它為C60，同時(shí)將具有相似結(jié)構(gòu)的這一類物質(zhì)（如C36、C70，C180等）命名為富勒烯。1.富勒烯的命名1985年，Kroto等采用質(zhì)譜儀研究激光富勒烯的命名C36C60C70C180富勒烯的命名C36C60C70C1802.富勒烯材料的歷史早在1965年，二十面體C60H60被認(rèn)為是一種可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代科學(xué)家們對(duì)非平面的芳香結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚的興趣，很快就合成了碗狀分子碗烯（Corannulene）。日本科學(xué)家大澤映二想到，也許會(huì)有一種分子由sp雜化的碳原子組成，比如將幾個(gè)碗烯拼起來(lái)的共軛球狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維芳香性。他開(kāi)始研究這種球狀分子，不久他得出這種結(jié)構(gòu)可以由截去一個(gè)二十面體的頂角得到，并稱之為截角二十面體，就像足球的拼皮結(jié)構(gòu)那樣。大澤雖然在1970年就預(yù)言了C60分子的存在，但遺憾的是，由于語(yǔ)言障礙，他的兩篇用日文發(fā)表的文章并沒(méi)有引起人們的普遍重視，而大澤本人也沒(méi)有繼續(xù)對(duì)這種分子的研究，因而使得C60的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是15年以后的事了。2.富勒烯材料的歷史早在1965年，二十面體C60H602.富勒烯材料的歷史1996年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予來(lái)自英國(guó)的HaroldKroto和美國(guó)得克薩斯州的RichardSmalley和RobertCurl，以表彰他們?cè)?985年的發(fā)現(xiàn)巴基球-富勒烯，即C60和C70。2.富勒烯材料的歷史1996年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予來(lái)自英國(guó)的H3.富勒烯材料的制備與提純富勒烯的制備：大量低成本地制備高純度的富勒烯是富勒烯研究的基礎(chǔ)，自從克羅托發(fā)現(xiàn)C60以來(lái)，人們發(fā)展了許多種富勒烯的制備方法。目前較為成熟的富勒烯的制備方法主要有電弧法、熱蒸發(fā)法、燃燒法和化學(xué)氣相沉積法、激光法等。3.富勒烯材料的制備與提純富勒烯的制備：3.富勒烯材料的制備與提純電弧法：一般將電弧室抽成高真空，然后通入惰性氣體如氦氣。電弧室中安置有制備富勒烯的陰極和陽(yáng)極，電極陰極材料通常為光譜級(jí)石墨棒，陽(yáng)極材料一般為石墨棒，通常在陽(yáng)極電極中添加銖、鎳、銅或碳化鎢等作為催化劑。當(dāng)兩根高純石墨電極靠近進(jìn)行電弧放電時(shí)，炭棒氣化形成等離子體，在惰性氣氛下小碳分子經(jīng)多次碰撞、合并、閉合而形成穩(wěn)定的C60及高炭富勒烯分子，它們存在于大量顆粒狀煙灰中，沉積在反應(yīng)器內(nèi)壁上，收集煙灰提取。電弧法非常耗電、成本高，是實(shí)驗(yàn)室中制備空心富勒烯和金屬富勒烯常用的方法。3.富勒烯材料的制備與提純電弧法：3.富勒烯材料的制備與提純制備富勒烯所用直流電弧爐3.富勒烯材料的制備與提純制備富勒烯所用直流電弧爐3.富勒烯材料的制備與提純?nèi)紵ū?、甲苯在氧氣作用下不完全燃燒的碳黑中有C60和C70，通過(guò)調(diào)整壓強(qiáng)、氣體比例等可以控制C60與C70的比例，這是工業(yè)中生產(chǎn)富勒烯的主要方法。3.富勒烯材料的制備與提純?nèi)紵?.富勒烯材料的制備與提純富勒烯的提純：是獲得無(wú)雜質(zhì)富勒烯化合物的過(guò)程。制造富勒烯的粗產(chǎn)品，即煙灰中通常是以C60為主，C70為輔的混合物。實(shí)驗(yàn)室常用的富勒烯提純步驟是：從富含C60和C70的煙塵中先用甲苯索氏提取，然后紙漏斗過(guò)濾。蒸發(fā)溶劑后，剩下的部分（溶于甲苯的物質(zhì)）用甲苯再溶解，再用氧化鋁和活性碳混合的柱色譜粗提純，第一個(gè)流出組分是紫色的C60溶液，第二個(gè)是紅褐色的C70，此時(shí)粗分得到的C60或C70純度不高，還需要用高效液相色譜來(lái)精分。3.富勒烯材料的制備與提純富勒烯的提純：4.富勒烯的種類巴基球團(tuán)簇：最小的是C20（二十烷的不飽和衍生物）和最常見(jiàn)的C60；碳納米管：非常小的中空管，有單壁和多壁之分;在電子工業(yè)有潛在的應(yīng)用；巨碳管：比納米管大，管壁可制備成不同厚度，在運(yùn)送大小不同的分子方面有潛在價(jià)值；聚合物：在高溫高壓下形成的鏈狀、二維或三維聚合物。納米“洋蔥”：多壁碳層包裹在巴基球外部形成球狀顆粒，可能用于潤(rùn)滑劑；球棒相連二聚體：兩個(gè)巴基球被碳鏈相連；富勒烯環(huán)4.富勒烯的種類巴基球團(tuán)簇：最小的是C20（二十烷的不飽和4.富勒烯的種類富勒體（Fullerites）：是富勒烯及其衍生物的固態(tài)形態(tài)的稱呼巴克球：DFT計(jì)算得到C60的電子基態(tài)在整個(gè)球上等值的內(nèi)嵌富勒烯：是將一些原子嵌入富勒烯碳籠而形成的一類新型內(nèi)嵌富勒烯4.富勒烯的種類富勒體（Fullerites）：是富勒烯及其5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)富勒烯結(jié)構(gòu):在數(shù)學(xué)上，富勒烯的結(jié)構(gòu)都是以五邊形和六邊形面組成的凸多面體。最小的富勒烯是C20，有正十二面體的構(gòu)造。沒(méi)有22個(gè)頂點(diǎn)的富勒烯，之后都存在C2n的富勒烯，n=12、13、14……所有富勒烯結(jié)構(gòu)的五邊形個(gè)數(shù)為12個(gè)，六邊形個(gè)數(shù)為n-10。5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)富勒烯結(jié)構(gòu):5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)C60的分子結(jié)構(gòu)為球形32面體，它是由60個(gè)碳原子通過(guò)20個(gè)六元環(huán)和12個(gè)五元環(huán)連接而成的具有30個(gè)碳碳雙鍵的足球狀空心對(duì)稱分子，所以，富勒烯也被稱為足球烯。C60是高度的Ih對(duì)稱，高度的離域大π共軛，但不是超芳香體系，他的核磁共振碳譜只有一條譜線，但是它的雙鍵是有兩種，它有30個(gè)六元環(huán)與六元環(huán)交界的鍵，叫[6,6]鍵，60個(gè)五元環(huán)與六元環(huán)交界的鍵，叫[5,6]鍵。[6,6]鍵相對(duì)[5,6]鍵較短，C60的X射線單晶衍射數(shù)據(jù)表明，[6,6]鍵長(zhǎng)是135.5皮米，[5,6]長(zhǎng)鍵是146.7皮米，因此[6,6]有更多雙鍵的性質(zhì)，也更容易被加成，加成產(chǎn)物也更穩(wěn)定，而且六元環(huán)經(jīng)常被看作是苯環(huán)，五元環(huán)被看作是環(huán)戊二烯或五元軸烯。C60有1812種個(gè)異構(gòu)體。5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)C60的分子結(jié)構(gòu)為球形32面體，它是由5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)碳六十微觀空間結(jié)構(gòu)碳六十球棒模型碳六十棒模型碳六十比例模型5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)碳六十微觀空間結(jié)構(gòu)碳六十球棒模型碳六十5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)富勒烯的性質(zhì)：物理性質(zhì)：C60的密度為1.7g/cm3。C60不溶于水，在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非極性溶劑中有一定的溶解性。C60為淡黃色固體，薄膜加厚時(shí)轉(zhuǎn)成棕色，在有機(jī)溶劑中呈洋紅色。C70為紅棕色固體，厚膜時(shí)為灰黑色，溶劑中為紅葡萄酒色。C60能在不裂解情況下升華。硬度比鉆石還硬，軔度(延展性)比鋼強(qiáng)100倍，它能導(dǎo)電，導(dǎo)電性比銅強(qiáng)，重量只有銅的六分之一，它的成分是碳，所以可從廢棄物中提煉

5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)富勒烯的性質(zhì)：5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)富勒烯晶體（如C60固體）由于是由一個(gè)個(gè)分子堆砌形成的，分子本身的化學(xué)鍵已達(dá)到飽和和封閉，不需要其他原子來(lái)滿足其表面化學(xué)鍵的要求.因此從這種意義上說(shuō)，富勒烯是今天已知有限大小的唯一穩(wěn)定形式的純碳.

超導(dǎo)性：經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕饘贁v雜后的C60表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性。1991年3月美國(guó)貝耳實(shí)驗(yàn)室首先報(bào)道攙鉀后的K3C60具有超導(dǎo)性，其臨界溫度為18K。光學(xué)性質(zhì)：C60和C70的甲苯溶液在低光強(qiáng)下遵守朗伯—比爾定律，透射比不隨光強(qiáng)度增加而變化，但當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)100mJ/cm2時(shí)，透射比顯著下降，并保持在65mJ/cm2。5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)富勒烯晶體（如C60固體）由于是由一個(gè)5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)A、C60和金屬的反應(yīng)一種是金屬包含于C60籠內(nèi)部（La@C60,已發(fā)現(xiàn)一系列不同碳數(shù)的富勒烯可形成金屬內(nèi)包合物，如k,Na,Cs,La,Ca,Ba,Sr,U,Y,Ce等）；另一種為位于C60球外表（V,Fe,Co,Ni,Cu,Rh,La等）B、和自由基的反應(yīng)C60有很強(qiáng)的和自由基反應(yīng)的能力，可和1-15個(gè)的芐基、1-34個(gè)的甲基反應(yīng)生成自由基和非自由基的加合物，享有“自由基海綿”的美稱。5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)C、親核加成反應(yīng)容易與胺類、膦化物、磷酸鹽等進(jìn)行親核加成反應(yīng)。D、親電加成反應(yīng)比親核加成難，可和氣態(tài)鹵素X2反應(yīng)生成C60Xn

5.富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)C、親核加成反應(yīng)6.富勒烯材料的其他相關(guān)富勒烯（Fullerene)是一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨結(jié)構(gòu)類似，但石墨的結(jié)構(gòu)中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán)。6.富勒烯材料的其他相關(guān)富勒烯（Fullerene)是一種6.富勒烯材料的其他相關(guān)金剛石，石墨，富勒烯，納米富勒烯環(huán)各種富勒烯結(jié)構(gòu)碳納米管6.富勒烯材料的其他相關(guān)金剛石，石墨，富勒烯，納米富勒烯環(huán)各6.富勒烯材料的其他相關(guān)碳分子圖庫(kù)

助。

從左邊起，依次為金剛石、石墨、碳鏈、C60、C70

和納米管

6.富勒烯材料的其他相關(guān)碳分子圖庫(kù)

助。

6.富勒烯材料的其他相關(guān)

石墨金剛石富勒烯C—C鍵長(zhǎng)（nm）層內(nèi)：0.1415層間距：0.33540.1545六邊形相鄰邊：0.1391六邊形與五邊形鄰邊：0.1455晶型混合型原子型分子型（室溫晶格：面心立方）C60直徑：0.7nm內(nèi)腔：0.5nm導(dǎo)電性能導(dǎo)電不導(dǎo)電，可以成為半導(dǎo)體材料不導(dǎo)電，摻金屬入內(nèi)腔后有可能成為超導(dǎo)體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫下可以與強(qiáng)氧化性酸和活潑金屬起反應(yīng)穩(wěn)定，高溫下可以被氧化活潑，可在球面上起多種反應(yīng)。腔內(nèi)可包容金屬原子6.富勒烯材料的其他相關(guān)石墨金剛石富勒烯C—7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景由于特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，C60在超導(dǎo)、磁性、光學(xué)、催化、材料及生物等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，得到廣泛的應(yīng)用。特別是1990年以來(lái)制備出克量級(jí)的C60，使C60的應(yīng)用研究更加全面、活躍。像在電子學(xué)領(lǐng)域，生物醫(yī)藥領(lǐng)域，超導(dǎo)領(lǐng)域，大氣與水處理領(lǐng)域，高能材料與太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，催化劑領(lǐng)域，激光科學(xué)領(lǐng)域，潤(rùn)滑領(lǐng)域7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景由于特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，C60在7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景生物醫(yī)藥領(lǐng)域抗氧化和神經(jīng)保護(hù)作用富勒烯被認(rèn)為是“清除自由基的海綿”,實(shí)驗(yàn)證明其可以有效減少神經(jīng)元死亡。富勒烯這種神經(jīng)保護(hù)的活性主要與其清除自由基(超氧陰離子、羥自由基)的能力有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明,多羥基富勒烯[C60(OH)n],又名富勒醇是一種很好的抗氧化劑,清除自由基效率高,且其水溶好,可以自由穿過(guò)血腦屏障。可以降低原代培養(yǎng)的皮質(zhì)神經(jīng)元的凋亡水平,保護(hù)自由基對(duì)神經(jīng)組織的損傷。7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景生物醫(yī)藥領(lǐng)域7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景超導(dǎo)領(lǐng)域C60分子本身不導(dǎo)電。但當(dāng)堿金屬嵌入C60分子之間的空隙后，C60與堿金屬的系列化合物將轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，如K3C60即為超導(dǎo)體，且具有很高的超導(dǎo)臨界溫度。與氧化物超導(dǎo)體比較，C60系列超導(dǎo)體具有完美的三維超導(dǎo)性，電流密度大，穩(wěn)定性高，易于展成線材等優(yōu)點(diǎn)，是一類極具價(jià)值的新型超導(dǎo)材料。7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景超導(dǎo)領(lǐng)域高能材料與太陽(yáng)能電池領(lǐng)域以C60為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)處理，可能研發(fā)出未來(lái)的高能材料。氮系富勒烯N60可能在下一代火箭推進(jìn)劑得到應(yīng)用。P型共軛聚合物和N型富勒烯混合組成復(fù)合物，作為太陽(yáng)能電池的薄膜材料，可提高光電轉(zhuǎn)換效率。7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景Polyera聚合物富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)9.1%高能材料與太陽(yáng)能電池領(lǐng)域7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景Pol7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景催化劑領(lǐng)域催化氫轉(zhuǎn)移和硅氫化反應(yīng)催化烷烴裂解反應(yīng)催化H2-D2互換反應(yīng)、催化耦合和烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)在非金屬固氮體系中的應(yīng)用在金剛石合成及助推劑中的應(yīng)用7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景催化劑領(lǐng)域潤(rùn)滑領(lǐng)域理論研究：完全非公度下可實(shí)現(xiàn)超滑。實(shí)驗(yàn)研究：C60膜可使摩擦性能得到一定改善。C60用于潤(rùn)滑添加劑具有一定的極壓和潤(rùn)滑性能。C60的衍生物C60F60俗稱“特氟隆”可做為“分子滾珠”和“分子潤(rùn)滑劑”7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景球形結(jié)構(gòu)強(qiáng)抗壓能力潤(rùn)滑領(lǐng)域7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景球形結(jié)構(gòu)強(qiáng)抗壓能力7.富勒烯材料的應(yīng)用與發(fā)展前景用途備注高溫有機(jī)超導(dǎo)體和半導(dǎo)體攙雜金屬的C0衍生物,如K3C60等有機(jī)鐵磁體