富勒烯材料课件
富勒烯
2)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。
* 现已发现M3C60系列化合物（M=K、 Rb、Cs）均具有超导性。 * 另据贝耳实验室最新报道，C60有机超导 体的临界温度已提高到117K。
6、富勒烯的性质 1）一般性质 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密度1.65g/cm3，能在不裂解情况下 升华。 室温下C60的体积可压缩率为： -d(lnv)/dp=7.0x10-12cm2/dyne 最软固体 C60 13C-NMR 143.2ppm出现单峰
C36
C60
C70
C180
2、C60分子的发现及其结构的提出 很早天体物理学家就发现富碳恒星的大气层及慧星 尾中有碳原子簇存在； 1942年，O. Hahn等用MS证实了原子簇Cn（<15）的 存在； 1984年，Exxon Research & Engineering Co.的E. A. Rohlfing等用激光气化/氦气脉冲膨胀法从石墨 产生碳原子簇。 1《n《30，奇数和偶数的碳原子簇均能形成； n》40时，仅偶数n的Cn原子簇能形成，并且C60 的质谱峰明显高于其它原子簇峰； 1985年，Kroto提出球碳假设，在Nature发表 《C60: Buckminsterfullerene》（1985, 318:162）
不同萃取剂的萃取效果 萃取剂系列 1 萃取次序 产物 苯 1 C60:C70=3:1 和少量质量数 1200 的富勒烯 吡啶 2 C60:C70=2:1 和少量 C100 以下的 富勒烯 1，2，3，5-四甲基苯 3 主要是<C200 的富勒烯，C60 和 C70 含量<1% 萃取剂系列 2 萃取次序 乙烷 1 主要是 C60 和 C70，少量 C76 和 C78 庚烷 2 C60:C70:C78:C84=2:1.4:0.5:1 收率 26% 4% 14%
科普讲座富勒烯C60
Shanghai Jiao Tong University
课前提问
世界上最薄的材料？ 自然界最硬的材料？ 元素周期表中大约有多少种元素，能否背诵前18个元素？ 碳原子周围有几层电子，外层有几个电子？ 列举你所知道的碳的化合物，画出它们的分子结构。
Shanghai Jiao Tong University
Shanghai Jiao Tong University
C60结构详解
H I G F L E K E
I
H
G
!
H
J
A K B C D
F
J
C B D
上五角星（11个顶点， 10个面）
H
下五角星（11个顶点， 10个面）
二十面体（12个顶点， 20个面）
截一个角，一个顶点变成 一个五边形（五个顶点）， 原来的面则变成六边形
试着一起 玩单脚站 立的小游 戏
Shanghai Jiao Tong University
材料显微结构研究方法
•光学显微镜 •电子显微镜 •透射电子显微镜 •扫描电子显微镜 •扫描探针显微镜
h mv
德布罗意公式
Shanghai Jiao Tong University
材料显微结构研究方法
•光学显微镜 •电子显微镜 •透射电子显微镜 •扫描电子显微镜 •扫描隧道显微镜
Shanghai Jiao Tong University
实验发现C60结构的历史背景
在第二次世界大战（20世纪40年代）期间，石墨被用作核裂 变反应实验的中子减速器。当时德国和美国都发现碳在3000 －4000K的气相环境中能形成团簇。 这些碳的团簇结构，C10以下以链状为主，C10以上（C20以 下）为环状为主。（一般的金属元素，较低温度下能形成紧密 堆积的团簇，而在1000K以上气相中，基本上以单原子形式存 在。这一对比可以说明碳有非常优异的成键能力，也和“碳是 世界上形成化合物最丰富的一个元素”这一事实相关联）。 20世纪80年代初，Rice 大学发展了激光蒸发超声团簇分子束 技术，并和多种先进的检测手段（如飞行时间质谱，激光光电 离，紫外光电子能谱，离子回旋共振谱等）相结合，可用来研 究几乎任意元素的团簇结构。这些先进的研究手段为他们发现 新现象提供了很多机会。 当时Smalley主要还在研究半导体及金属元素，因为和Kroto的 合作才开始研究碳。
富勒烯材料
碳富勒烯的结构
1、富勒烯Cn结构的欧拉定律 实验表明，原子集团中的原子数目不是随意的，，只有包含一定数目原子
的团簇保持稳定，这一定数目的原子称为“幻数”。当团簇中的原子数目等于幻 数是较为稳定。经过一系列的实验研究和各个科学家的验证得出富勒烯Cn结构 的表达式
新型碳纳米材料 n ——碳富勒烯
富勒烯中最早发现并具有代表性的是C60，它是由60个碳原子以 五边形或六边形交替结合成球的形式形成的，其他比较稳定存在 的碳纳米团簇形式还有C70、C82等。 碳富勒烯是1985年才开始被人们所认识，到现在，人们实验所 观测到的碳富勒烯已有20多种。下图为几种典型的碳富勒烯原 子结构，可以看出富勒烯为0维体系。
Product A
Product B Product C
Product A
碳富勒烯及其衍生物的应用
2、在新能源方面的应用 在有机太阳能电池中引入富勒烯；作为高能材 料，为未来的火炸药、火箭推进剂开辟一个新的领域等。
碳富勒烯及其衍生物的应用
3、在工业上的应用 C60在较高速度范围内具有一定的极压与润滑作用，经过适宜 的改性处理可成为优良的润滑油添加剂；富勒烯具有很强的打开强键并参与氢转移 反应的能力，所以用在很多催化剂领域。
界面上，让CS2挥发形成LB膜。 2、化学沉积法
把C60自组装到基体表面有两种途径：一是先将具有特殊功能的基团修饰 后再在基团表面自组装；二是先将基体表面用具有特殊功能的基团修饰后， 再在溶液中于C60发生反应，从而形成C60衍生膜。
碳富勒烯及其衍生物的应用
1、在我们日常生活中的 例如在化妆品中会出现，因为它有抗自由基、 抗氧化、淡斑美白、抑制发炎四大作用。C60是一种很强的抗氧化物质，其抗 氧化能力是维生素C的125倍，除了抗氧化之外，它还有清除自由基、活化皮 肤细胞等作用。
富勒烯材料知识
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。
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[60]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。
1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；[1]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C60为例，第一种是标准的写法，即[60]富勒烯，对应英文的[60]fullerene；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C60，与英文一致。
2历史简介早在1965年，二十面体C60H60被认为是一种可能的拓扑结构。
富勒烯
高分子合成新技术
3.2脉冲激光法诱导液-固界面法
福建师范大学章文贡教授研究团队 采用脉冲激光诱导液-固界面反应法，以 芳香烃B为流动相，石墨为固体靶，成功 获得了多种富勒烯，其中含富勒烯C98的 量最多。
高分子合成新技术
反应装置示意图
调节流动相以适 宜的流速流经固 体靶，淹没过靶 片的液层高度始 终为1~2mm，准 备时间依需要量 而定
1.富勒烯的溶解性质 2.富勒烯的超导性质 3.富勒烯的光学性质
高分子合成新技术
2.1.1.溶解性
富勒烯在脂肪烃中的溶解性随溶剂 分子的碳原子数增大而增大，但一般溶 解性较小。在苯和甲苯中有良好的溶解 性，而在二硫化碳（CS2）中的溶解度很 大。但是由于CS2的毒性较大，因此一般 不使用。目前用于溶解C60最常用的溶剂 为甲苯
高分子合成新技术
第6章 富勒烯及其高分子化 章
高分子合成新技术
目录
概述 富勒烯的性质 富勒烯的制备 富勒烯的高分子化 富勒烯高分子衍生物的应用 回顾与展望
高分子合成新技术
1. 概述
20世纪80年代中期，继石墨、金刚 石之后，人们发现了碳元素存在的第三 种晶体形式，其分子式为Cn ，目前已知 的n值最大为540。这类碳化合物被称为 碳笼原子簇或富勒烯（又称巴基球、球 烯、足球碳等）。
液体作用剖析
流动相液体的作用
液体气化产生 液体粒子 有助于亚稳态物质 的成核和稳定
液体的束缚作用 使各粒子之间更加 容易碰撞重新成核
液体冷却作用有助于 快速活性淬灭成核” “快速活性淬灭成核”
高分子合成新技术
4.富勒烯的高分子化
C60 球 体 的 高 分 子 化 衍 生 物
1.高分子链上悬挂C60（On-chain型）； 2.C60结合进高分子链中（ In-chain型）； 3.以C60为节点形成高分子网络； 4.C60通过化学键连接在基质材料表面。
第三讲_富勒烯1
第三讲_富勒烯1第三讲富勒烯5⽬录富勒烯概述富勒烯的结构与表征富勒烯的制备、⽣长机理与纯化富勒烯的性质富勒烯化学富勒烯的应⽤6碳的同素异形体⽯墨78富勒烯(Fullerenes)：笼状炭原⼦簇的总称什么是富勒烯9富勒烯的发展历程1983年，物理学家D.R. Huffman 和W. Kratschmer 在氦⽓中使⽯墨电极间放电制备了碳原⼦簇，碳烟的紫外光谱和拉曼光谱显⽰，在近紫外区出现了强烈的吸收带，产⽣了形似驼峰的双峰，他们称这种样品为“骆驼样品”。
1969年David Jones 在New Scientist 上发表论⽂指出在⽯墨⽣产⾼温过程中有可能形成⽯墨空⼼球；1970年⽇本量⼦化学家Osawa 曾经计算过对称性的C 60的笼型结构，并计算出该笼形结构具有芳⾹性，但没有深⼊下去。
富勒烯之前认识的碳：⾦刚⽯和⽯墨1985年，Robert F. Curl，Harold W. Kroto，Richard E.Smalley共同发现了C60和C70，并获得1996年的诺贝尔化学奖。
1984年，E. A. Rotalfing为了解释星际尘埃的组成，采⽤⼤功率短脉冲激光器蒸发⽯墨，在飞⾏时间质谱仪上观察到C60和C70的特征峰，但他们只是简单的将其归结为碳原⼦团簇的线性链结构。
与诺贝尔奖失之交臂。
1984年，R. E. Smalley (Rice U)发明激光⽓化团簇束流发⽣器。
101984年，Kroto经Curl介绍认识了Smalley，参观了Smalley研制的⽤于研究半导体和⾦属原⼦簇的激光⽓化团簇束流发⽣器，观看了在He⽓氛中激光蒸发SiC2的实验。
并建议使⽤这台仪器模拟星际空间由巨碳星产⽣的浓密富碳风中长链碳分⼦的形成机制。
1985年9⽉，Kroto利⽤该仪器与Smalley合作，⽤⽯墨代替SiC2进⾏激光蒸发实验，他们从质谱图中发现相对原⼦量为720和840的⾼丰度分⼦离⼦峰（对应C60和C70)；Curl提议⽴即停⽌所有其它实验，集中精⼒研究这⼀意外发现。
第五章富勒烯与碳纳米管3
富勒烯具有较高的稳定性，能够在高温、高压等极端条件下保持稳定
富勒烯的电子结构可以通过掺杂其他元素或与其他分子结合来进行调控，具有广泛的应 用前景
富勒烯的物理和化学性质
富勒烯的物理性质：具有高导电性 和高热导率，同时具有较强的抗化 学腐蚀性。
富勒烯的稳定性：由于其封闭的球 形结构，富勒烯表现出高度的稳定 性，可以在高温、高压、强酸、强 碱等极端条件下保持稳定。
富勒烯的发现历程
1985年，科学家在实验中首次合成了C60 1990年，科学家证实C60是一种具有封闭球形结构的碳原子簇 1996年，富勒烯被广泛研究和应用于材料科学和纳米科技领域 至今，富勒烯的合成和应用研究仍在不断发展
富勒烯的结构特点
富勒烯是由单层或多层碳原子组成的球形或椭球形分子
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
富勒烯的化学性质：具有极高的反 应活性和稳定性，可以在不同条件 下与其他分子进行反应。
富勒烯的应用：由于其独特的物理 和化学性质，富勒烯在材料科学、 电子学、生物学等领域有着广泛的 应用前景。
碳纳米管的结构与性质
第三章
碳纳米管的结构特点
碳纳米管由单层或多层石墨烯片卷曲而成，具有高度取向的管状结构。 碳纳米管具有极高的长径比，其直径通常在几个纳米范围内，而长度可以达到微米级别。 碳纳米管可以具有金属性或半导体性，这取决于其手性或螺旋结构。 碳纳米管的力学性能优异，具有极高的强度和硬度，同时具有很好的柔韧性。
富勒烯与碳纳米管
,a click to unlimited possibilities
汇报人：
目录
CONTENTS
01 添加目录标题 02 富勒烯的发现与性质 03 碳纳米管的结构与性质 04 富勒烯与碳纳米管的应用
富勒烯结构
富勒烯结构一、引言富勒烯结构是由碳原子组成的球状分子，具有独特的物理和化学性质。
它是20世纪80年代发现的，因其形状像美国建筑师富勒设计的“杯形球”而得名。
自此以后，富勒烯结构引起了科学家们的广泛关注，并在材料科学、化学、物理等领域得到了广泛应用。
二、结构特点1. 分子结构富勒烯分子由60个碳原子组成，呈球形结构。
每个碳原子都与三个相邻碳原子共价键连接，形成一个六角形和五角形交替排列的球面网格。
2. 碳-碳键长度和键角富勒烯中每个碳原子之间的键长为1.4埃左右，比普通单键（1.54埃）要短；而每个五角形中心处的两个相邻碳原子之间的距离为1.45埃左右，比普通双键（1.34埃）要长。
此外，富勒烯中每个碳原子之间的键角为120度左右。
3. 稳定性由于其球形结构和共价键的稳定性，富勒烯具有较高的稳定性和可靠性。
在常温下，富勒烯可以长时间保持结构不变。
三、制备方法1. 热解法将一定量的芳香族化合物（如苯）放入高温反应器中，加热至1000℃以上，在惰性气氛下进行热解反应，生成富勒烯。
2. 激光脱离法利用激光脉冲将碳纳米管或金刚石等材料表面的碳原子脱离，随后形成富勒烯分子。
3. 化学合成法通过化学反应合成富勒烯。
目前常用的方法包括电化学合成、电子转移反应和环加成反应等。
四、物理和化学性质1. 导电性能富勒烯具有良好的导电性能。
其导电机理是通过共价键和π键来传递电子。
2. 光学性质富勒烯具有很强的吸收紫外线和可见光的能力，因此在太阳能电池、光催化等领域具有广泛应用。
3. 化学反应富勒烯可以与许多物质发生化学反应，如氧化、还原、取代等。
这些反应可以改变富勒烯的物理和化学性质，从而使其具有更广泛的应用。
五、应用领域1. 材料科学领域富勒烯具有很强的力学性能和导电性能，因此被广泛应用于材料科学领域。
例如制备纳米材料、高分子复合材料等。
2. 医药领域富勒烯具有良好的生物相容性和抗氧化性能，因此在医药领域具有广泛应用。
富勒烯材料ppt课件
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。
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
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
富勒烯的命名
C36
C60
C180
C70
2.富勒烯材料的历史
富勒烯材料的简介
富勒烯外包 装
富勒烯 在生活中 无处不在
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
你
体作N型半导 体
知 道
吗
？
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
富勒烯的制备： 大量低成本地制备高纯度的富勒烯是
材料学概论
富勒烯的今生前世
Hale Waihona Puke
早期科学进展年谱 1971年，大泽映二发表《芳香性》一书，其中描述了C60分子的设想。 1980年，饭岛澄男在分析碳膜的透射电子显微镜图时发现同心圆结构，就像切开 的洋葱，这是C60的第一个电子显微镜图。[ 1983年，克罗托蒸发石墨棒产生的碳 灰的紫外可见光谱中发现215nm和265nm的吸收峰，他们称之为“驼峰”；后来 他们推断这是富勒烯产生的。 1984年，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 罗芬等人发现的，但是他们不认为这是C60等团簇产生的。 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C60，并推测这个团簇是球状结构。 1990年，克利斯莫（Kriischmer）等人第一次报道了大量合成C60的方法，才使得 C60的研究得以大量展开。 1991年，加州大学洛杉矶分校的霍金斯（Joel Hawkins）得到了富勒烯衍生物的第 一个晶体结构，标志着富勒烯结构被准确测定。 1995年，伍德（Fred Wudl）制备出开孔富勒烯；而PCBM也被他首次制备。 1996年，罗伯特·科尔（美）、哈罗德·沃特尔·克罗托（英）和理查德·斯莫利（美） 因富勒烯的发现获诺贝尔奖。
性质
富勒烯在大部分溶剂中溶得很差，通常用芳香性溶剂， 如甲苯、氯苯，或非芳香性溶剂二硫化碳溶解。纯富勒烯 的溶液通常是紫色，浓度大则是紫红色
富勒烯材料
3.富勒烯材料的制备与提纯
制备富勒烯所用直流电弧炉
3.富勒烯材料的制备与提纯
• 燃烧法 苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳 黑中有C60和C70，通过调整压强、气体比 例等可以控制C60与C70的比例，这是工业 中生产富勒烯的主要方法。
3.富勒烯材料的制备与提纯
富勒烯的提纯： 是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C60 为主，C70为辅的混合物。实验室常用的富 勒烯提纯步骤是：从富含C60和C70的烟尘 中先用甲苯索氏提取，然后纸漏斗过滤。 蒸发溶剂后，剩下的部分（溶于甲苯的物 质）用甲苯再溶解，再用氧化铝和活性碳 混合的柱色谱粗提纯，第一个流出组分是 紫色的C60溶液，第二个是红褐色的C70， 此时粗分得到的C60或C70纯度不高，还需
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
•
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
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。