7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 由于特殊的结构和性质，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，得到广泛的应用。特别是1990 年以来制备出克量级的C60，使C60的应用研 究更加全面、活跃。像在电子学领域，生 物医药领域，超导领域，大气与水处理领
域，高能材料与太阳能电池领域，催化剂
富勒烯的命名
C36
C60
C180
C70
2.富勒烯材料的历史
• 早在1965年，二十面体C60H60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 （Corannulene）。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。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。大泽虽然在1970年就预言了C60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C60的发现已经是15年以后的事了。
5.富勒烯的结构和性质
• 化学性质 A、C60和金属的反应 一种是金属包含于C60笼内 部（La@C60,已发现一系列不 同碳数的富勒烯可形成金属内 包合物，如 k,Na,Cs,La,Ca,Ba,Sr,U,Y,Ce 等）；另一种为位于C60球外 表（V, Fe, Co, Ni,Cu,Rh,La等） B、和自由基的反应 C60有很强的和自由基反应 的能力，可和1-15个的苄基、 1-34个的甲基反应生成自由基 和非自由基的加合物，享有 “自由基海绵”的美称。
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；
4.富勒烯的种类



Hale Waihona Puke 富勒体（Fullerites）：是富勒烯及其衍生 物的固态形态的称呼 巴克球：DFT计算得到C60的电子基态在 整个球上等值的 内嵌富勒烯：是将一些原子嵌入富勒烯 碳笼而形成的一类新型内嵌富勒烯
5.富勒烯的结构和性质
富勒烯结构:
在数学上，富勒烯的结构都是以 五边形和六边形面组成的凸多面体。 最小的富勒烯是C20，有正十二面 体的构造。没有22个顶点的富勒烯， 之后都存在C2n的富勒烯，n=12、 13、14……所有富勒烯结构的五边 形个数为12个，六边形个数为n-10。
5.富勒烯的结构和性质
碳六十比 例模型
碳六十微观空间结构
碳六十棒模型
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5.富勒烯的结构和性质
富勒烯的性质： • 物理性质： C60的密度为1.7g/cm3。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。C60为淡黄色 固体，薄膜加厚时转成棕色，在有机溶剂 中呈洋红色。C70为红棕色固体，厚膜时为 灰黑色，溶剂中为红葡萄酒色。C60能在不 裂解情况下升华。硬度比钻石还硬，轫度 (延展性)比钢强100倍，它能导电，导电性 比铜强，重量只有铜的六分之一，它的成 分是碳，所以可从废弃物中提炼
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 生物医药领域 抗氧化和神经保护作用富 勒烯被认为是 “清除自由基的 海绵”, 实验证明其可以有效 减少神经元死亡。 富勒烯这种 神经保护的活性主要与其清除 自由基 ( 超氧阴离子、羟自由 基) 的能力有关。实验表明, 多 羟基富勒烯[C60(OH)n], 又名 富勒醇是一种很好的抗氧化剂, 清除自由基效率高, 且其水溶 好, 可以自由穿过血脑屏障。 可以降低原代培养的皮质神经 元 的凋亡水平, 保护自由基对 神经组织的损伤。
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。
1.富勒烯的命名
1985年， Kroto等采用质谱仪研究激光蒸发石墨电 极粉末，发现在不同数量碳原子形成的碳簇结构中 包含六十个和七十个碳原子的团簇具有更高的稳定 性，于是提出由六十个碳原子构成的稳定结构：由 12个五元环和20个六元环组成的类似足球的空心球 状结构（如下图），由于它是由60个碳原子组成 的，所以称它为C60，同时将具有相似结构的这一 类物质（如C36、C70，C180等）命名为富勒烯。
富勒烯材料的简介
富勒烯 在生活中 无处不在
富勒烯外包装
宇宙中发现的碳的同 素异形体--石墨烯与富 勒烯
富勒烯诱导体作N 型半导体
你 知 道 吗 ︖
网球拍
富勒烯材料
• • • • • • • • 目录 1.富勒烯的命名 2.富勒烯的历史 3.富勒烯的制备与提纯 4.富勒烯的种类 5.富勒烯的结构和性质 6.富勒烯的其他相关 7.富勒烯的应用与发展前景
3.富勒烯材料的制备与提纯
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C60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
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 超导领域 C60分子本身不导电。 但当碱金属嵌入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。与氧化物 超导体比较，C60系列超 导体具有完美的三维超导 性，电流密度大，稳定性 高，易于展成线材等优点， 是一类极具价值的新型超 导材料。
6.富勒烯材料的其他相关
金刚石，石墨，富勒烯，纳米
各种富勒烯结构
富勒烯环 碳纳米管
6.富勒烯材料的其他相关
碳分子图库
助。
从左边起，依次为金刚石、石墨、碳链、C60、C70 和纳米管
6.富勒烯材料的其他相关
石墨 金刚石 富勒烯 六边形相邻边：0.1391 六边形与五边形邻边： 0.1455 分子型（室温晶格：面 心立方） C60直径：0.7nm 内腔：0.5nm
2.富勒烯材料的历史
• 1996年，诺贝尔化学 奖授予来自英国的 HaroldKroto和美国得 克萨斯州的Richard Smalley 和RobertCurl， 以表彰他们在1985年 的发现巴基球-富勒烯， 即C60和C70。
3.富勒烯材料的制备与提纯
富勒烯的制备： 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C60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、激光法等。
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 催化剂领域 催化氢转移和硅氢化反应 催化烷烃裂解反应 催化H2-D2互换反应、催化耦合和烷基转移 反应 在非金属固氮体系中的应用 在金刚石合成及助推剂中的应用
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 润滑领域 理论研究：完全非 公度下可实现超滑。 实验研究：C60膜可 使摩擦性能得到一定 改善。C60用于润滑添 加剂具有一定的极压 和润滑性能。C60的衍 生物C60F 60俗称“特 氟隆”可做为“分子 滚珠”和“分子润滑 剂”
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 高能材料与太阳能电池领 域 以C60为基础，经过物 理化学处理，可能研发出 未来的高能材料。 氮系富勒烯N60可能在 下一代火箭推进剂得到应 用。 P型共轭聚合物和N型富 勒烯混合组成复合物，作 为太阳能电池的薄膜材料， 可提高光电转换效率。
Polyera聚合物富勒烯有机太阳 能电池转换效率可达9.1%
•
C—C键长 （nm）
层内： 0.1415 层间距：0.3354
0.1545
晶型
混合型
原子型
导电性
能导电 稳定，高温下可以 与强氧化性酸和活 泼金属起反应
不导电，可以成 为半导体材料
稳定，高温下可 以被氧化
不导电，掺金属入内腔 后有可能成为超导体
活泼，可在球面上起多 种反应。腔内可包容金 属原子
化学性质
5.富勒烯的结构和性质
C、亲核加成反 应 容易与胺类、膦 化物、磷酸盐等 进行亲核加成反 应。 D、亲电加成反 应 比亲核加成难， 可和气态卤素X2 反应生成C60Xn
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6.富勒烯材料的其他相关
• 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。
球形结构强抗压能力
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• • • • • • • • • • • • 用途 备注 高温有机超导体和半导体 搀杂金属的 C0 衍生物,如 K3C60 等 有机铁磁体 如部分还原产物 C60(TDAE)0.86 润滑剂 C60 晶体具有良好的润滑性， 医学应用(药物设计) 1）疾病诊断2）药物合成3）生产缓释药物。 催化剂 加氢脱氢反应催化剂；内含金属或配合物催化剂等 化学原料 球表面功能化反应，制取各种化合物。 各种材料 建筑材料，复合材料，涂料等 限光器 非线性光学的应用 电子器件 金属碳笼化合物可用于电子数据储。 保护空气敏感 置于富勒烯笼内 制造金刚石 C60 在高压下可转化为金刚石