碳原子簇
碳及含碳原子簇的特性和形成研究
碳原子簇是一种由碳原子组成的结构，它们可以是单个碳原子，也可以是多个碳原子组成的簇。
碳原子簇的形成受到碳原子之间的相互作用的影响，这些相互作用可以是化学键的形成，也可以是电荷的相互作用。
碳原子簇的形成可以通过化学反应，物理反应，电化学反应，光化学反应等方式实现。
碳原子簇的特性取决于其结构，结构可以是线性，环形，三角形，四边形，五边形等。
碳原子簇的结构可以由其中的碳原子的类型，碳原子之间的键的类型，碳原子之间的距离等决定。
碳原子簇的特性还取决于其中的碳原子的电荷，碳原子的形状，碳原子的大小，碳原子的构型等。
碳原子簇的形成可以通过化学反应，物理反应，电化学反应，光化学反应等方式实现。
化学反应可以通过碳原子之间的化学键形成来实现，物理反应可以通过碳原子之间的相互作用来实现，电化学反应可以通过碳原子之间的电荷相互作用来实现，光化学反应可以通过碳原子之间的光吸收来实现。
“碳原子团簇的形成研究”项目获国家自然科学二等奖
“碳原子团簇的形成研究”项目获国家自然科学二等奖
佚名
【期刊名称】《炭素技术》
【年(卷),期】2007(26)3
【摘要】用碳团簇作为核磁共振的显影剂目前引起科学家们浓厚的兴趣。
碳团簇
具有形似足球的空心笼状结构，球内能包裹一种元素，可在核磁共振过程中提高影像效果。
而眼下这一设想还在探索之中。
前不久，厦门大学化学化工学院郑兰荪院士领衔的课题组承担的“碳原子团簇的形成研究”项目获得了2006年度国家自然科学二等奖。
【总页数】1页(P31-31)
【关键词】碳原子团簇;自然科学;化学化工学院;核磁共振;笼状结构;影像效果;厦门
大学;科学家
【正文语种】中文
【中图分类】O613.71
【相关文献】
1.我校《量子几何相位及其相关问题研究》项目获国家自然科学二等奖 [J], 科技
处
2.2018年度国家科学技术奖揭晓自然资源部提名的7个项目获自然科学奖二等奖、科学技术进步奖二等奖 [J], 王少勇;
3.获1995年国家自然科学奖二等奖的大柴旦盐湖调查，盐卤硼酸盐化学和综合利用基础研究项目 [J],
4.获1997年度国家自然科学奖二等奖项目煤成油的形成环境和成烃机理 [J],
5.国家自然科学基金重大项目“原子团簇的化学与物理”通过验收 [J], 陈荣因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
记“碳原子团簇的形成研究”
记“碳原子团簇的形成研究”2月27日，中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会，在颁布的2006年度国家科学技术奖励获奖人选和项目中，厦门大学有两个项目同时获得国家自然科学奖二等奖。
其中一个就是由中科院院士、厦大化学化工学院教授郑兰荪领衔,黄荣彬,谢素原,吕鑫,高飞共同完成的“碳原子团簇的形成研究”。
对外人而言，碳原子团簇究竟是什么东西？要搞清楚中科院院士、厦大化学化工学院教授郑兰荪领衔的“碳原子团簇的形成研究”，课题组的谢素原老师说，要从碳谈起。
在纯碳家族中，没有人不熟悉石墨和金刚石的。
它们都是自然界中的纯碳，含碳量均是100%。
由于碳原子排列形式不同而生成了不同的形态和性质：石墨漆黑而硬度很小，金刚石无色透明而硬度极大。
像石墨、金刚石这样由同一元素组成而又性质不同的物质，被称为“同素异形体”。
然而，20世纪80年代中期以来，科学家们发现碳还存在第三种同素异形体，它就是C60，后来又发现C20、C50等，它们被统称为“富勒烯”。
富勒烯是由若干个六元环和12个五元环组成的笼状的全碳分子，其中C60具有足球形的完美的对称结构。
自C60之后，多种比C60更大的富勒烯分子如C70、C80等相继合成出了可分离量的产物，产由此表征了结构。
然而比C60小的富勒烯分子却迟迟未能明确无误地合成与表征，这是由于比C60小的富勒烯必然含有相邻的五元环，十分活泼而不稳定。
厦门大学的研究人员自上世纪80年代就开始了碳原子团簇的激光产生与研究。
进入90年代中期，他们又根据学科的发展，开展了新型团簇的宏观量制备，先后合成、分离并结构表征了C20Cl10等一系列氯代碳簇，这些碳簇的结构实际上就是富勒烯的碎片。
在此研究基础上，他们在5年前将研究的重点集中到C50Cl10，在Kr?tschmer等发明的制备C60的石墨电弧方法的氦气氛中，引入了四氯化碳作为氯源，以此捕获和稳定高度活泼的C50分子。
历经3年艰辛的努力，合成了约100克粗产物，用高效液相色谱进行多轮制备分离，最后一轮的纯化工作得到中科院化学所的大力协助，采用专用的C60分离设备，最终分离和纯化出毫克量级的C50Cl10。
碳原子团簇的形成研究
第40卷 第2期厦门大学学报(自然科学版)V o l.40 N o.2 2001年3月Jou rnal of X iam en U n iversity(N atu ral Science)M ar.2001 文章编号:043820479(2001)022*******碳原子团簇的形成研究黄荣彬,谢素原,邓顺柳,郑兰荪(固体表面物理化学国家重点实验室,厦门大学化学系,福建厦门 361005)摘要:碳原子团簇的生长过程及其富勒烯的形成机理,是近十余年来科学界孜孜以求而又一直无法求解的难题.虽然有关研究人员先后提出了可能的机理,但是至今没有一种得到实验结果的证实.本研究组就此作了积极的探索和较深入的研究,创新和发展了多种形成和研究碳原子团簇的方法,精心设计了一系列实验,综合运用多种研究手段,明确了氯原子存在下碳簇的生长过程,发现了氯原子等自由基对富勒烯形成的催化作用,总结了碳等原子团簇形成的统计分布规律,表征了C60的聚合和坍塌过程,在碳原子团簇的形成研究中取得重要进展.关键词:碳原子团簇;形成;氯原子中图分类号:O624文献标识码:A 原子团簇是人类新发现和认识的一个特殊的物质层次,对原子团簇科学的研究,已经成为当今最为活跃的前沿学科之一.碳是人类最早认识的化学元素,但是C60等富勒烯的发现,使人们对碳又有了新的认识,并因此开辟了一个全新的研究领域.自90年代以来,投入富勒烯等碳簇研究的科学家之多,涉及的学科面之广,发表的论文数之多,在科学史上是罕见的,已经迅速发展成为一个新的学科分支.包括富勒烯在内的碳簇的形成过程及其机理,作为这个新学科的一个最基本的问题,也同样成为这个新型学科的研究热点.自C60等富勒烯在1985年发现以来,包括发现者R.E. Sm alley在内的众多研究人员就对有关碳原子团簇的形成和生长机理提出了种种假设,其中较有影响的机理可以概括为以下3种:1)“五边形道路”机理[1].该机理由Sm alley等人在首先发现C60后不久即已提出,之后又根据新的实验发现加以修正.它认为碳原子首先生长成直链的碳簇,继而长成环状.当碳簇的成簇原子数达到25～30时,它们生长为多环的石墨碎片,这些碳簇的周边因有较多的悬挂键而较不稳定,为了减少悬挂键的数目,周边的六元环有收缩成五元环的趋势,并因此而发生卷曲,形成杯状的结构,最终生长成笼状的富勒烯.显然,根据这一机理,形成富勒烯的中间产物收稿日期:2001202215基金项目:国家自然科学基金重大(29890210)和面上(29773040)资助项目作者简介:黄荣彬(1960-),男,教授;郑兰荪(1954-),男,教授.实际上就是它们的碎片.2)“富勒烯道路”机理[2].该机理所假设的碳簇生长过程与上述的"五边形道路"相似,碳簇的生长同样经历了由链至环的过程.不同之处在于由30-58个原子组成的中等尺寸的碳簇也具有富勒烯的笼状结构,只是其中的部分五边形必然相邻而较为活泼,因此有可能继续结合C 2生长成C 60等稳定结构.3)“环融合与重构”机理[3].该机理认为C 60等富勒烯可以直接由环状的碳簇经过较为复杂的融合和重构反应转化而成,而无需经历上述的“杯”或“小碳笼”的生长过程.至今为止,还没有一种机理得到实验事实的完全证明并被普遍接受.“五边形道路”机理所预测的杯状构型的中间体始终不曾为实验所发现.“富勒烯道路”机理实质上并未说明由环转化至富勒烯的过程,转化过程的中间产物也同样未曾观察到.与前两种机理相比,“环融合与重构”机理得到科学界较多的认可.实验已发现由18、24或30个碳原子组成的单环在激光的溅射下能够产生C 60或C 70等富勒烯离子[4].因此,由碳环至富勒烯的转化无需经历如“富勒烯碎片”或“小富勒烯”的中间状态.然而,由碳环重构至富勒烯的中间产物也同样未在实验中观察到,所以该机理也仍然有待于实验的证明.由上所述,确定碳簇生长和富勒烯形成机理的关键在于捕获并表征富勒烯形成的中间产物.这些中间产物必然十分活泼而很不稳定,因此才有可能继续生长成稳定的C 60等富勒烯,因此才造成了相关研究的难度,难以借助现有的研究手段来实现.自C 60合成成功[5]后,一些研究者先后尝试在合成反应的气氛中加入反应物,得到与富勒烯不同的碳簇衍生物.如加入N CCN 后得到两端以氰基封口的聚乙炔棒[6],加入氯气后得到全氯代多环芳烃[7],加入丙烯后得到含五元环的多环芳烃[8].然而,这些研究所表征的反应产物所含的碳原子数都较少,而且没有观察到C 60等富勒烯,所以对确定它们形成机理的作用不大.对富勒烯等碳簇形成研究的滞后,已经严重地制约了对它们的进一步认识和应用,成为这个前沿学科亟待解决的一个关键问题.而这方面的研究一旦取得突破,人们对碳及其他原子团簇的认识、合成与利用都将迈上一个新的层次,可能以更经济高效的方法合成这些新型物种,有目的的去发现其他具有特殊结构和性能的新型团簇,从而为原子团簇科学的发展增添新的活力.我们在国际上较早开始碳原子团簇的研究,并带动了国内该领域研究的开展.为了率先在原子团簇科学的这一关键环节取得突破,我们创新和发展了多种形成和研究碳原子团簇的方法,通过自行研制的以激光产生原子团簇和原位质谱研究的大型仪器,以及项目组所建立的多种原子团簇的宏量制备方法,运用X 射线单晶衍射、STM 、H PL C 2M S 联用、原位显微光谱等研究手段,选用各种结构形态和组成的物种为形成反应的起始物,结合动力学、量子化学、数学分析等理论研究,考察了碳原子团簇的生长过程,揭示了富勒烯在特定条件下的形成机理,进而发现和总结碳及其他原子团簇的形成规律,丰富和深化了对原子团簇科学的认识.1 由氯仿合成C 60及其全氯代碎片根据原子团簇的形成规律,我们将电弧、激光等物理方法和溶液的化学合成环境结合起来,创新和发展了液相电弧、激光多相溅射、辉光放电、微波等离子体等合成方法.以仅含一个碳原子的氯仿为反应起始物时,通过以上合成方法均能得到丰富的产物.在经过提取、升华、液相色谱、重结晶等分离步骤后,已分离出了其中的部分产物,它们经光谱表征后分别为六氯苯、・673・ 厦门大学学报(自然科学版) 2001年八氯萘、全氯代苊烯(C 12C l 8)、全氯代苯并苊烯(C 16C l 10)和全氯代碗烯(C 20C l 10)等[9],并首次以X 射线单晶衍射测定了C 12C l 8和C 16C l 10等的分子和晶体结构.有意思的是,它们都可以看作是C 60的全氯代碎片,后三种产物都包含了形成富勒烯所必需的五元环.对所有产物通过H PL C 2UV 2A PC I 2M S 的联用方法,测定其中含有一定量的C 60、C 70等富勒烯,还发现了C 60的多种同分异构体,它们的质谱完全一样,都能观察到质量为720的分子离子峰,但是在高效液相色谱中的保留时间却各不相同.通过质谱分析,发现其余产物基本上为全氯代的碳簇,碳原子数均为偶数,氯原子数大多为10与12,且不随碳原子数的增加而增加,如C 24C l 10、C 30C l 10、C 36C l 12、C 50C l 10等,从它们的组成分析,这些产物很可能也都是富勒烯的全氯代碎片[10].对C 50C l 10还进一步开展了实验和理论研究.量化计算证明C 50C l 10最稳定的异构体是将C 60沿着与五次轴垂直的平面削去10个碳原子后的碎片,碎片的10个悬键正好以10个氯原子所饱和.对C 50C l 10开展的碰撞诱导解离研究(M Sn )也验证了这样的结构.这些研究结果揭示了在氯原子存在下碳簇的生长过程: 上图所描述的C 60的形成过程显然支持“五边形道路”机理,当然这是在氯原子参与的情形下.在进一步的研究中,我们又以上述的全氯代苊烯为反应起始物,以脉冲激光溅射后收集反应的产物,同样得包括C 60在内的上述产物[11].在辉光放电的合成反应中,我们将两个反应器串接在一起,产物分别加以收集和分析,发现第一个反应器的产物主要是富勒烯及其全氯代碎片,而第二个反应器的产物则是石墨的微晶及其全氯代碎片2完全由六元环组成的平面多环芳烃.这些实验结果验证了在氯原子的存在下,碳簇的生长确实遵循上述机理.2 碳簇的催化生长C 60等富勒烯是由Sm alley 等首先以脉冲激光在超声分子束喷口的喉道处蒸发石墨产生的[12].他们的研究发现,碳簇形成环境的氦气密度对C 60的形成起了决定性的作用.然而,我们的研究却发现,即使在无缓冲气体的环境下,如果选择合适的形成条件,可以通过激光直接蒸发的方式产生C 60等富勒烯.以往研究所用的石墨都是多晶的,而我们选择了单晶态的高序热解石墨作为激光蒸发的起始物.实验发现,C 60的形成与石墨晶面的取向有密切的关联:当石墨的六元环平面垂直于入・773・第2期 黄荣彬等:碳原子团簇的形成研究 射的激光束时,所产生的主要是C 60和C 70;而当该晶面与激光束平行时,则只能产生较小的碳簇[13].在进一步的研究中,我们又选择了其它结构形式的碳,如无定形碳、金刚石、玻璃态碳、多晶态石墨等,发现它们在无氦气的环境下,不可能通过激光直接蒸发产生C 60等富勒烯.然而,只要在其中掺入微量的稠环芳烃或其全氯代衍生物,在激光蒸发的产物中就能检测到C 60及其它富勒烯离子.而且这些化合物掺入的量越少,它们对C 60形成的促进作用越为显著,因此,这些掺杂物并不提供形成碳簇的碳源,而是对C 60的形成起着催化作用.为了揭示这些掺杂物的催化机理,我们在研究中尝试了各种组分和结构的掺杂物.研究发现,它们的催化作用与它们的结构没有关系,不具有C 60六元环结构的有机化合物如聚氯乙烯、聚丙烯等高分子材料也有同样能促进C 60的形成;甚至某些不含氢和氯原子的有机化合物如四氰基乙烯,以及不含碳原子的无机化合物如氯化银、氯化铁、硫等也具有显著的催化效应.显然,对C 60形成起催化作用的是这些掺杂物中能和碳原子成键的原子或基团,它们能和较小的碳簇上的悬挂键结合,增加其稳定性,并促使它们生长成C 60等有笼状结构的较大的碳簇.在这些有催化作用的自由基中,氯原子的效果最为显著,这是由于C 2C l 键的键强比较合适.在这些自由基催化作用下,即使金刚石也能通过激光蒸发,有效地转化成C 60等富勒烯[14].研究结果不仅发现和阐明氯原子等自由基对碳簇生长和C 60形成的催化作用及其机理,而且为揭示C 60的形成机理提供重要的实验依据.氯原子等的催化效应说明C 60的中间产物有较多的悬挂键,在已有有关C 60形成的3种机理中,它显然也支持“五边形道路”的机理.3 碳等原子团簇的形成动力学和统计分布规律在分析了实验记录的大量团簇质谱的基础上,我们发现并总结了碳及其它原子团簇的统计分布规律.它不受实验条件等的影响,反映了原子团簇形成的基本规律[15].根据这一规律,在由相同组成单元组合成的原子团簇中,具有相同构型和相近结构稳定性的团簇离子的相对丰度,可以用一条分布曲线来描述.运用该规律,可以揭示团簇构型间的转化,如碳簇构型从链至环再至笼的变化,并能揭示哪些尺寸的团簇可能具有同分异构体[16].根据这一规律,原子团簇的相对丰度并不如通常所认为的那样,可以直接关联于它们的相对稳定性;如果它们的相对丰度能为分布曲线所描绘的话,所反映的是它们的形成动力学.这一规律的发现和提出,将团簇的统计分布与其形成动力学关联起来,揭示了动力学因素在团簇形成中所起的决定性作用,说明C 60在富勒烯产物中的优势含量,并不完全决定于它的结构稳定性,还必须考虑形成动力学的影响.根据这一规律,只有其丰度显著高于分布曲线的团簇,才具有特别稳定的结构,可以称其为“幻数”.幻数是原子团簇的主要特征之一,C 60就是典型的例子,并因此成为团簇研究的主要对象.统计分布规律为团簇幻数的确定提供了客观的依据,显然具有重要的意义.根据碳簇形成的统计分布规律,通过对团簇形成反应的分析,建立了反映团簇形成机理的模型及相应的动力学方程,并以数学归纳法求解了原子团簇的分布函数.将分布函数与实验记录的团簇离子的质谱相比较,能够揭示团簇形成的过程及相应的动力学参数.通过对分布函数的数学分析,可以建立最可几分布团簇离子的尺寸、分布的平均尺寸等原子团簇的分布特性与反应常数之间的关系,由此可以描述团簇形成的动力学特征[17].在动力学研究中还进一步考虑了各种实验条件如温度、压力、激光功率密度、反应起始物等对团簇形成反应的影响,考虑了形成过程中的解离反应,建立了更为复杂、更能反映团簇实・873・ 厦门大学学报(自然科学版) 2001年际形成过程的动力学方程,以数值解的方法得到碳簇产物分布与反应条件的关系,通过与实验结果的相互对照,比较深入地揭示了各种实验条件对形成动力学的影响,得到了碳簇形成反应时间、反应温度等重要参数[18].4 研究C 60的聚合和坍塌过程我们在对C 60形成的研究中,还以原位飞行时间质谱,记录了C 60、C 70等在激光等离子体中的聚合反应产物的尺寸分布[19];以STM 、表面增强拉曼光谱、激光脱附质谱等方法,原位跟踪了C 60在紫外光辐射下所发生的聚合过程,表征了产物的尺寸、形态、结构等[20].这一系列研究说明,C 60的聚合产物仍然具有与C 60相似的结构形态,但是聚合产物并不具有如C 60那样突出的产率和结构稳定性.研究结果为尺寸更大的富勒烯的形成提供了有益的信息.解离是形成的逆反应,对解离反应的研究也有助于加深对形成反应的认识.在自制的装置上,我们将C 60的离子束加速至近1000eV 的能量后,撞击高序热解石墨、金单晶等晶体的表面,以STM 、表面增强拉曼光谱、激光脱附质谱等方法表征撞击后的产物.研究发现,C 60在能量下撞击固体表面并未发生解离,而是坍塌成平面的结构.通过调整离子束的动能,确定导致C 60坍塌的能量阈值在400～500eV 之间[21].5 小 结我们的这一系列研究结果显然加深了对碳簇生长和富勒烯形成过程的了解.根据这些结果,在有氯原子参与的情况下,富勒烯的形成确实经历了与“五边形道路”机理相似的生长过程,即它们形成的中间产物就是它们的全氯代碎片.然而,这些发现仍然不足以确定在无反应物参与下富勒烯的形成机理.显然,氯等自由基的存在,对这些反应中间体稳定性的影响极大,并可能因此改变相应的形成过程.所以,最终揭示C 60等富勒烯的形成机理,还有待于更充分的实验和理论研究.另一方面,我们还结合实验与理论研究,建立碳簇生长的动力学模型,发现了相应的规律,为进一步揭示原子团簇形成的普遍规律,填补原子团簇科学的这个重要空白打下了基础.参考文献:[1] Sm alley R E .Self 2assem bly of fullerenes [J ].A cc .Chem .R es .,1992,25(2):98-105.[2] H eath J R .Synthesis of C 60from s m all carbon clusters .A model based on experi m ent and theo ry [J ].A CS Symp .Ser .,1991,481(1):1-23.[3] H unter J M ,Fye J L ,Ro skamp E J ,et al .A nnealing carbon cluster i ons 2A m echanis m fo r fulerenesynthesis [J ].J .Phys .Chem .,1994,98(7):1810-1818.[4] M cE lvany S W ,Ro ss M M ,Co raff N S ,et al .Cyclocarbon coalescence 2M echanis m s fo r tailo r 2m adefullerene fo r m ati on [J ].Sience ,1993,259:1594-1596.[5] K ratschm er W ,L am b L D ,Fo stiropoulo s K ,et al .So lid C 60:a new fo r m of carbon [J ].N ature ,1990,347:354-358.[6] Gro sser T ,H irsch A .D icyanopo lyynes 2Fo r m ati on of new rod 2shaped mo lecules in a carbon p las m a[J ].A ngew .Chem .Int .Ed .Engl .,1993,32(9):1340-1342.[7] Chang T M ,N ai m A ,A hm ed S N ,et al.O n the m echanis m of fullerene fo r m ati on 2T rapp ing of som e po ssible inter m ediates [J ].J .Am .Chem .Soc .,1992,114(19):7603-7604.[8] Schw artz H .T he m echanis m of fullerene fo r m ati on [J ].A ngew .Chwm .Int .Ed .Engl .,1993,32(10):1412-1415.[9] H uang R B ,H uang W J ,W ang Y H ,et al .P reparati on of decach lo roco rannulene and o therrerch lo rinated fragm ents of fullerenes by electrical discharge in liquid ch lo rofo r m [J ].J .Am .Chem .・973・第2期 黄荣彬等:碳原子团簇的形成研究 Soc .,1997,119:5954-5955.[10] X ie S Y ,H uang R B ,Yu L J ,et al .M icrow ave synthesis of fullerenes from ch lo rofo r m [J ].A pp l .Phys.L ett .,1999,75(18):2764-2766.[11] X ie S Y ,H uang R B ,D ing J ,et al .Fo r m ati on of buckm insterfullerene and its perch lo rinatedfragm ents by laser ablati on of perch lo roacenaph thylene [J ].J .Phys.Chem .A ,2000,104(31):7161-7163.[12] K ro to H W ,H eath J R ,O ′B rien S C ,et al.C 60:Buckm insterfullerene [J ].N ature ,1985,318:162-64.[13] X ie Z X ,L iu Z Y ,W ang C R ,et al .Fo r m ati on and coalenscence of fullerenes I ons from direct laservapo rizati on [J ],J .Chem .Soc .Faraday T rans .,1995,91(6):987-992.[14] T ang Z C ,H uang R B ,H uang W J ,et al .L aser p roducti ons of fullerene I ons p romo ted by additivecompounds in carbon targets [J ].J .Phys .Chem .A ,1998,102:9993-10002.[15] W ang C R ,L iu Z Y ,H uang R B ,et al.L ogno r m al size distributi ons of elem ental clusters [J ].Chem .Phys.L ett .,1994,227(1 2):103-108.[16] W ang C R ,L iu Z Y ,H uang R B ,et al .Statistical size 2D istributi on and structural studies of lasergenerated carbon clusters [J ].Chem .Phys.L ett .,1994,227(1 2):109-116.[17] H uang R B ,Zhang Q ,Chen H ,et al .A pp liati on of s mo luchow sky equati on to the fo r m ati on k ineticsof cluster i ons [J ].J .Euro .Phys .D ,1999,9:253-261.[18] 曹玉群,黄荣彬,郑兰荪.激光溅射下原子团簇生长的非平衡动力学[J ].物理化学学报,1999,15(4):345-349.[19] L iu Z Y ,W ang C R ,H uang R B ,et al .M ass distributi on of C 60and C 70coalescence p roducts p roducedby direct laser vapo rizati on [J ],Int .J .M ass Spectrom .I on P roc .,1995,145(1):1.[20] T ang Z C ,Cai X W ,Gao J S ,et al .In 2situ characterizati on of C 60coalescence reacti on [J ].Chem .Phys.L ett .,1999,306(3):345-349.[21] T ang Z C ,Cai X W ,R en B ,et al .Co llap se of m ass 2selected C 60i on beam co llided on crystal surfaces[J ].J .Chem .Soc .Faraday T rans .,1997,93:3703-3707.Fo rm ati on Studies of Carbon C lu stersHU AN G Rong 2b in ,X IE Su 2yuan ,D EN G Shun 2liu ,ZH EN G L an 2sun(State key L ab .fo r Phys .Chem .of So lid Su rface ,D ep t .of Chem .,X iam en U n iv .,X iam en 361005,Ch ina )Abstract :Grow th and fo r m ati on of fu llerenes and o ther carbon clu sters has p resen ted a m echan istic p uzzle to physical and o rgan ic chem ists .A lthough vari ou s schem es have been p ropo sed after the discovery of the fu llerenes ,none of them have been exclu sively verified by availab le experi m en tal evidences .In o rder to reveal the puzzle ,w e have developed special apparatu s and syn thetic m ethods .B ased on the techn iques ,it has been found that the fu llerenes can grow from a si m p le m o lecu le con tain ing single carbon atom such as ch lo rofo r m ,and o ther reacti on p roducts are p erch lo rinated fragm en ts of fu llerenes .In additi on ,ch lo rine atom s and o ther free radicals can catalyze fo r m ati on of fu llerenes very effectively .T he ob servati on s thu s conclude that ,w ith invo lvem en t of ch lo rine atom s ,fo r m ati on of the fu llerenes fo llow s the "Pen tagon Road "schem e p ropo sed by Sm alley and co 2w o rkers .In the fo r m ati on studies ,statistical distribu ti on of carbon and o ther clu sters has been discovered and attribu ted to the fo r m ati on k inetics of the clu sters .Coalescence and co llap se p rocesses of C 60have also been characterized in the studies .Key words :carbon clu sters ;fo r m ati on ;ch lo rine atom s ・083・ 厦门大学学报(自然科学版) 2001年。
原子簇化合物的概念
原子簇化合物的概念
原子簇化合物是一种含有超过50个原子的化合物，它们是杂原子
团体的特殊类型，具有特定的物理和化学性质。
原子簇化合物的结构相当于一个由多个原子组成的小分子，称为原子簇，它们之间有某种类型的氢键相互连接。
原子簇化合物是近年来发现的一类新型化合物，它们拥有独特的物理和化学性质，可以用于各种催化剂和材料等应用。
原子簇化合物可以分为有机和无机两类。
无机原子簇化合物是由金属原子或碳氢基团组成的，它们的尺寸和形状比较特别。
有机原子簇化合物则是由碳原子和以碳为中心的空间结构组成的，其化学性质与传统有机物十分相似。
尽管不同的原子簇化合物具有独特的特性，但他们都焊接在一起，具有稳定的结构，但这种稳定性容易受到外部影响而发生变化。
原子簇化合物具有非常重要的潜力，它们可以应用于能源材料、药物分子和生物传感器等方面。
它们具有比结构更灵活的动力学性质，并具有良好的热稳定性。
原子簇化合物也可以与有机物实现氧化催化作用，从而改善反应效率。
碳团簇新结构
碳团簇新结构碳团簇是一种具有独特性质的碳簇化合物，它由若干个碳原子组成的小团簇，这些碳原子的原子序数通常在10到500之间。
碳团簇具有优异的物理化学性质，如低燃烧温度、高折射率、高比热容、高热稳定性和优异的电绝缘性能。
因此，碳团簇在很多领域中都具有广泛的应用前景，如能源存储、材料科学、化学反应和生物医学等。
近年来，随着碳团簇的研究取得了巨大的进展，许多新的碳团簇结构被发现，其中包括具有极高稳定性的碳团簇，如环状碳团簇、矩形碳团簇和立方碳团簇等。
这些新的碳团簇结构具有优异的电学、光学和力学性质，并且在材料科学和能源存储领域中具有巨大的应用潜力。
其中，环状碳团簇是一种由若干个碳原子组成的环状结构的碳团簇。
它们通常具有较高的热稳定性和化学稳定性，因此在很多领域中都具有广泛的应用前景。
例如，环状碳团簇可以用作超级电容器的电极材料，具有优异的电导率和电容量。
此外，环状碳团簇还可以用作荧光粉和高分子材料的掺杂剂，提高材料的光学性能。
另一种新型碳团簇是矩形碳团簇，它由四个碳原子构成的平面结构。
矩形碳团簇具有优异的电学性质，如高电导率和高电容量，因此在电子学领域中具有广泛的应用前景。
此外，矩形碳团簇还可以用作提高高分子材料的力学性能的掺杂剂。
立方碳团簇是一种由八个碳原子构成的立方体结构的碳团簇。
它们具有优异的力学性质，如高强度、高硬度和高抗拉强度，因此在材料科学领域中具有广泛的应用前景。
例如，立方碳团簇可以用作提高塑料、橡胶和纤维的力学性能的掺杂剂。
除了环状、矩形和立方碳团簇外，还有许多其他新型碳团簇结构，如棱柱碳团簇、三角形碳团簇、五边形碳团簇等。
这些新型碳团簇结构具有独特的物理化学性质，在很多领域中都具有广泛的应用前景。
例如，棱柱碳团簇具有优异的光学性质，可以用作高分子材料的掺杂剂，提高材料的折射率和透光率。
三角形碳团簇具有优异的电学性质，可以用作超级电容器的电极材料，提高电容量和充放电速率。
五边形碳团簇具有优异的力学性质，可以用作提高塑料、橡胶和纤维的抗拉强度的掺杂剂。
第三章：原子簇
2019/12/27
13
2.2富勒烯的化学性质
1.具有芳香性，一般稠环芳香烃的反应， 如烷基化反应、还原反应生成氢化物。
2.易于亲核试剂如NH3及金属反应，表现出 缺电子化合物的反应
3. C60的中空球形结构使得它能在内外表面 都进行化学反应，从而得到各种功能化 得C60衍生物。
2019/12/27
属性的导体。
例：Rb9O2 的结构可作为解释这类特殊 化合物组成方式的一种线索。
R2b0199O/122/2的7 结构
两个氧原子分别以八面体的方式联系着6个 Rb原子, 两个相邻的八面体共一个面,
这类簇合物的存在归因于M+和O2-之间的库 仑作用力和离域于金属骨架的较弱的M-M键。
化合物的金属性导电能力暗示价电子的离 域超出了Rb9O2单个簇的范围。
d区前部分的元素和镧系元素簇合物中通常含有给予体配体 (如Cl-, Br-), 而d区右部的金属簇合物通常含有接受体配位(如 CO等)。 前一类配体通过电子给予作用填入缺电子金属原子的某些低 能级轨道, 后一类配位体则能从富电子金属原子上移去部分电 荷。 许多p区元素成簇时不需要配位体即可完成每个原子的价层, 从 而形成所谓的”裸簇”(naked clusters)。 例: Pb52-和Sn94-
2019/12/27
高支化型
基质型
21
直接聚合
将富勒烯表面修饰 引入双键、羟基、羧基
氨基等可聚合基团
表面修饰聚合
利用富勒烯中 的多个双键， 将其作为单体 或共聚单体
富勒烯 高分子化
的方法
可将二者的优点 真正的结合起来
含活性端基的高分子 前体与富勒烯反应
富勒烯表面的双键 缺电子，可作为阴离子、
《凝聚态物理学进展》题库
《凝聚态物理学进展》题库§第一章 晶体结构一、简答题1.证明晶体不可能具有5次对称轴和7次以及7次以上对称轴。
[解答]证明：设A 、B 是晶体中任一晶列上的两个相邻的格点，如图所示，格点间距为a ，如果该晶格具有在纸面上旋转θ角的对称操作，即绕A 旋转θ角后，晶格自身重合。
这时格点B 转到了格点B`。
显然，旋转-θ角也是该晶体的一个对称操作，则绕B 旋转-θ角后，晶格自身重合，这时格点A 到了格点A`处。
A B显然B`A`//AB ，即B`A`平行于一个晶列，同属于一个晶列簇。
由晶体的平移对称性可知，B`与A`的间距应是格点间距a 即AB 的整数倍，即：AB A B m ``= 注意到B A AB BA ``===a ，即：2asin(-)+a=ma2πθ化简得到转角θ满足关系式：1m cos 2θ-=由于1cos 1θ-≤≤，上式能够成立的整数m 只有5个 m=3,2,1,0,-1 对应于11cos 1,,0,,122θ=-- 对应转角θ为22222,,,,23461πππππθ=这说明晶体中纯旋转对称轴只可能是1,2,3,4,6次对称轴，不可能有5次轴，也不可能有7次轴和7次以上的对称轴。
abc a a a()()()()()()123122122122aaa=+=+=+=+=+=+j k k i i j a b c a c a a a babcaaa()()()()()()123122122122aaa =-++=-++=-+=-+=+-=+-i j k i j k i j k a abc a a b c a a b c★2.证明面心立方格子与体心立方格子互为倒格子。
[解答] 证：面心立方由倒格子公式转换得：同理得： 体心立方2()2b i j k aπ=-+3()2b i j k aπ=+-面心立方的基矢为：可见当上式中的a aπ=时与面心立方的基矢形式完全吻合，所以两者互为倒格子，得证。
第3章 原子簇
日本的Kurosawa以多烯物，Ph(CH)nPh (n = 8, 12) 为配 体制备出线型四核钯原子簇，[Pd4(Ph(CH)8Ph)2]2+。
[Pd4(Ph(CH)8Ph)2]2+ J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 10660-10661.
Kurosawa 又以二萘嵌苯（PYN：perylene）为配体制备 出线型四核钯原子簇，[Pd4(PYN)2(CH3CN)2]2+。
第3章原子簇
3-1 非金属原子簇 3-2 金属原子簇
原子簇为无机化学中较为前沿的领域，同时涵盖了非 金属与金属元素。
原子通过金属键而结合的物种。
Cotton F. A.于1966年提出， cluster （原子簇）：含有 直接而明显键合的两个或以上的金属原子的化合物。
我国的定义：凡以3个或3个以上原子直接键合构成 的多面体或笼为核心，连接外围原子或基团而形成 的结构单元称原子簇。包括硼烷及其衍生物。
线型、夹心型原子簇，[Pd4(PYN)2(CH3CN)2]2+ J. Am. Chem. Soc., 2003, 125 , 8436-8437
台湾大学的彭旭明课题组利用多吡啶作为配体组装出系列线型 金属簇化合物，并对它们的电性能和磁行为等全面进行了的探索 与研究。
多吡啶类物种组装线型簇合物
dipyridylamido ligand (Hdpa) H2tpda
双核
rRh= 1.35 Å
Inorg. Chem. 2020, 59, 12928–12940.
4）含有金属-金属键型的线型原子簇
二(二苯磷甲基) 苯膦 (dpmp)为骨架设计合成出
三核Pt或Pt/Pd原子簇，[Pt2M(-dpmp)2(xylNC)2](PF6)2 (1)和 线型六核Pt或Pt/Pd原子簇[Pt4M2(-dpmp)4(xylNC)2](PF6)3 (2) (M为
碳团簇结构及应用
碳团簇结构及应用碳团簇是由碳原子构成的聚集体，由于碳原子的特殊性质和结构，碳团簇具有独特的物理和化学性质，因此在材料科学、催化学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
接下来，我将从碳团簇的结构特点、物理性质和化学性质以及不同领域的应用进行详细介绍。
首先，碳团簇的结构特点主要与碳原子的排列方式有关。
碳团簇可以分为各种形态，包括纳米管、全球状、圆形等。
其中，碳纳米管是由碳原子通过特定的排列方式形成的管状结构，具有高强度、高导电性和高热传导性等优良性质。
全球形碳团簇则是由碳原子构成的球状结构，包含不同个数的碳原子，具有特定的几何形状。
除了碳原子的排列方式，碳团簇的结构还受到外部因素的影响，如溶剂、温度和压力等。
这些结构特点决定了碳团簇在不同应用领域中的性质和功能。
其次，碳团簇的物理性质主要体现在其电子结构和光学性质上。
由于碳团簇具有特殊的结构，其电子能级分布呈现出分立的能级，形成独特的能带结构。
这种电子能级的分布特点使得碳团簇表现出了许多奇异的电子行为，如量子限制效应和电子态密度的变化等。
此外，碳团簇还具有良好的光学性质，对于不同波长的光有很强的吸收和发射能力，因此有望应用于光学传感器、光催化和光电子器件等领域。
第三，碳团簇的化学性质主要表现在其与其他物质的反应活性上。
由于碳原子的高电负性和多种化学键的存在，碳团簇在许多反应中表现出了独特的催化活性。
例如，碳纳米管可以催化氧气的还原反应和氢气的氧化反应，具有很高的催化活性；全球形碳团簇则可作为催化剂参与氧气的还原反应，具有优异的电催化性能。
此外，碳团簇还可以与其他物质形成化学键，如与金属原子形成簇-金属复合物，表现出了独特的催化和吸附性能。
最后，碳团簇在不同领域具有广泛的应用。
在材料科学领域，碳纳米管以其优异的力学性能和导电性被广泛应用于纳米材料的增强剂、导电材料和传感器等领域。
在催化学领域，碳团簇作为催化剂可以应用于燃料电池、电解水产氢、废水处理和合成有机化合物等反应中，具有重要的应用前景。
原子簇化合物
❖ 两种不同的H： 一种是端氢； 另一种H与两个 硼原子相连， 称为桥式氢原 子，简称桥氢。
❖ 网式结构：笼形硼烷的 多面体骨架脱掉两个相 邻的角顶B原子。
❖ 通式：BnHn+6
❖ 特点：存在三种不同的 氢原子，即除了端氢， 桥氢外，还存在一种外 向型氢原子，它们的指 向为网式硼烷对映的完 整多面体的外接球面的 切线方向，这种氢原子 称为切向氢原子，简称 切向氢。
4.硼烷中的键合和结构理论
❖ (1)Lipscomb多中心定域键
❖ (2)分子轨道理论
❖ (3)Wade规则：硼烷和碳硼烷结构都是以三角 形为楞面的多面体，其骨架键对数与其结构 类型有关。
二.碳的簇合物
❖ 1.富勒烯 ❖ 2.富勒烯金属包合物 ❖ 3.碳纳米管
1.富勒烯
❖ (1)C60的结构和Euler定律
❖ 大量的s区、p区、d区和f区元素都可以形成 不同结构的金属碳硼烷。
❖ 网式碳硼烷也可以作为配体与f区元素形成配 合物。
❖ 碳硼烷衍生物及其配合物的应用比较广泛。 如:金属有机催化反应和中子捕获剂(BNCT)
3.金属硼烷
❖ 金属硼烷：指在硼烷骨架中含有一个或多个 金属原子但没有碳原子的笼形硼烷。
5B4H10 393K 4B5H11+3H2
注意：在常温下，除了B2H6是气体以外，B4H10— B8H10均为液体，B10H14及其他高级硼烷则是固体。在硼 烷中，B2H6地位特殊，因为它是制备其他硼烷的原料。
近年来还有其他制备硼烷的方法被报道出来，
如B6H10可以由溴代戊硼烷在低温下合成：
BrB5H8
❖ (1)EMF的制备 ❖ 富勒烯金属包合物(EMF):富勒烯可以通过加
第二章 原子团簇
原子团簇的性质
③ 磁性 平均有效磁矩随团簇尺寸 增大而增加，铁磁性物质 的团簇具有超顺磁驰豫
④ 光学性质
纳米级的铁原子团簇对红外 辐射具有较好的吸收特性
2.4 原子团簇的研究意义及用途
• 模拟研究自然界的需要
宇宙分子和尘埃 大气烟雾和溶胶 云层形成和发展 天体演化 大气污染控制 气候人工调节
• 为量子和经典理论研究提供合适的体系 • 为新材料的制备开辟了新的途径
C60＋Li+液氨＋正丁醇
Birch反应
C60H18+C60H36 DDQ：二氯二氰对苯醌
(甲苯＋DDQ)中回流 C60 氟化
C60F6、C60F42、C60F60(特氟隆球) 高温润滑剂
C60的性质
表面可进行化学修饰 有机基团接枝 金属键合作催化剂 笼内可装填原子分子 金属离子可装入C60笼中 K、Na、Cs(铯)、 La、Ca、Ba、 Sr(锶)
C60的制备
1. 激光蒸发法 2. 苯燃烧法
含氩气的氧气中燃烧苯(或乙炔) 1kg苯
低压燃烧器
3g(C60+C70)
3. 化学合成法
稠环化合物(萘、蒽、菲)
真空 等离子体化学气相沉积于以 低温 (100)晶面的硅单晶衬底
聚合物薄膜中含C60
C60的制备
4. 电弧法
1990年，Kratschmer等人，首次能大规模生产C60
C60的性质
• C60的物理性质
C60团簇固体是一种依靠范德华力的结晶体(fcc结构) C60是一个半导体，0K时不导电，掺K、Rb(铷)、Cs后变 为半导体 A3C60，在低温时具有超导性 光电子转移特性，光激发后容易形成电子空穴对
C60的应用
第二章 原子团簇
原子团簇63 100%, Cu65 41.66% Cu团簇的原子数具有奇偶性 质，具有奇数原子的团簇具 有较大的产额 ② 量子尺寸效应 在临界尺寸以下，团簇电子最低 允许跃迁能量较大，大于临界尺 寸后，跃迁能逐渐接近大块材料
原子团簇的性质
③ 磁性 平均有效磁矩随团簇尺寸增大而增加，铁磁性物 质的团簇具有超顺磁驰豫
④ 光学性质 纳米级的铁原子团簇对红外辐射具有较好的吸收特性 ⑤ 催化活性 贵金属原子团簇
2.4 原子团簇的研究意义及用途
• 为新材料的制备开辟了新的途径
利用团簇红外吸收系数、电导特性和磁化率的异常变化， 某些团簇超导临界温度的提高，用于制备新型敏感元件、贮 氢材料、磁性液体、微波及红外吸收材料、超导材料等。
2.2 原子团簇的制备方法
1. 真空合成法
用几至几十keV载能粒子轰击固体表面，使固体表面 溅射出各种次级粒子－电子、离子、原子和团簇等
溅射产生团簇的原理
FAB/SIMS法的实验系统
2.2 原子团簇的制备方法
2. 气相合成法
（1）蒸发和气体冷凝法
将物质元素或化合物放在低压的惰性气体腔室的蒸发皿 中，高温加热至气化，与惰性原子或分子碰撞，迅速冷却， 形成原子团簇。
第二章 原子团簇
2.1 原子团簇的种类 2.2 原子团簇的制备方法 2.3 原子团簇的结构与性质 2.4 原子团簇的研究意义及用途
2.1 原子团簇的种类
• 原子团簇: 几个至几百个原子的聚集体或粒径≤1nm，简称团 簇(cluster)
• 种类
从原子种类数目分 一元原子团簇
金属团簇，如Nan, Nin等 非金属团簇
气体冷凝法形 成团簇示意图
气相合成法
(2) 激光蒸发和激光热解
原子簇碳桶
原子簇碳桶
原子簇碳桶（Atomic cluster carbon nanobaskets）是一种由碳原子聚集形成的碳纳米结构，具有桶状的形态。
这些碳原子簇通常由数十到几百个碳原子组成，形成了一个包裹的结构，类似于篮子或桶子。
原子簇碳桶的结构通常由碳原子构成的面部和边部组成。
面部是由多个碳原子形成的具有平面结构的表面，而边部则是由碳原子形成的曲线结构，连接和包裹住面部。
这种结构使得原子簇碳桶具有高度稳定性和独特的形态。
原子簇碳桶具有很多潜在应用领域。
由于其特殊的形态和结构，原子簇碳桶可以被用作催化剂、吸附剂和传感器等方面。
此外，由于其独特的电子结构和导电性质，原子簇碳桶还具有应用于电子器件（如场效应晶体管）和能量存储（如电池和超级电容器）的潜力。
原子簇碳桶的制备通常是通过热解碳源，如石墨烯或碳纳米管，在特定的温度和气氛条件下进行。
这种制备方法需要精确控制反应条件和碳源的性质，以控制原子簇碳桶的形态和大小。
此外，原子簇碳桶的制备还可以通过分子动力学模拟等计算方法进行辅助设计和优化。
总的来说，原子簇碳桶作为一种新型的碳纳米材料，具有很多潜在应用和研究价值。
随着对其结构和性质的深入理解，原子簇碳桶在纳米科学和材料科学领域的
应用前景仍然十分广阔。
原子簇
《高等无机化学》课程论文文献综述综述题目原子簇化合物在功能材料方面的应用作者所在系别理学院应用化学作者所在专业物理化学作者姓名作者学号导师姓名导师职称教授完成时间2012 年 4 月工业大学材料化学教研室制说明1．文献综述各项内容要实事求是，文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。
第一次出现缩写词，须注出全称。
2．学生撰写文献综述，阅读的主要参考文献应在10篇以上。
本课程的相关教材也可列为参考资料，但必须注明参考的具体页码。
3．文献综述的撰写格式按撰写规范的要求，字数在2000字左右。
原子簇化合物在功能材料方面的应用1.引言原子簇化合物是极小的原子聚合物，是以三个或三个以上的金属或非金属形成的多面体为核心，再与外围电子、离子或者基团配位键合后构成的化合物[1]。
是介于原子、分子与固体粒子之间的团粒分子。
原子簇化合物被称为“物质第五态”。
原子簇化合物的物理性质与一般状态的气体、液体、固体等物质差别较大。
原子簇可分为两大类，一类是主族原子簇化合物，核心原子为主族元素如碳、硼，外围原子多为氢、卤族元素和烷基等。
另一类是过渡金属簇合物，配体是π接受体（CO、NO……）或π给予体（Cl、OR、S……）。
若原子簇的核心不连接任何外围原子或基团，则可称为团簇。
2.原子簇化合物的历史1966年Frank Albert Cotton首次提出clusters的概念，卢嘉锡将其译为“原子簇”，并将cluster compound译为“原子簇化合物”。
1982年，我国学者徐光宪建议原子簇化合物定义为：“以三个或三个以上的有限原子直接键合组成多面体或缺顶多面体骨架为特征的分子或离子”。
原子簇化合物的应用领域涉及广泛，比如络合催化、生化模拟、超导材料、燃料加氢脱硫、表面抗氧化腐蚀等。
3.原子簇化合物用于催化原子簇化合物由于其组成构型确定、组分均匀等特征，能节省贵金属材料及在制备上好的重现性，为人们在直接应用这类化合物作为催化剂方面产生了浓厚的兴趣。
碳族元素知识点
碳族元素13.1 碳族元素通性周期表中第ⅣA族包括碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）五种元素，统称碳族元素。
其中碳（C）、硅（Si）是非金属元素，锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）是金属元素。
本族元素基态原子的价电子层结构是ns2np2，主要氧化数+4和+2。
碳原子的价电子层结构是2s22p2，在化合物中一般多显+4，也可显+4到-4之间的任意氧化数。
在化合物中，C能以sp、sp2、sp3杂化轨道相互结合或与其他原子结合。
C-C、C-H、C-O键的键能大，稳定性高，奠定了含碳有机物结构复杂、数量庞大的基础。
硅原子的价电子层结构是3s23p2，化合物中一般显+4价。
Si-Si键不稳定，但硅氧键很稳定，所以硅的化合物中硅氧键占很大比例。
锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）中，随着原子序数的增大，稳定氧化态逐渐由+4变为+2，这是由于ns2电子对随n的增大逐渐稳定的结果。
锡一般以+2价的形式存在于离子化合物中。
铅则以+4价氧化态的形式存在于共价化合物和少数离子型化合物中。
+4价的铅由于惰性电子对效应，具有很强的氧化性。
碳主要以煤、石油、天然气等有机物存在。
硅主要以硅酸盐的形式存在于土壤和泥沙中，自然界也存在石英矿。
碳、硅在地壳中的丰度分别为0.023%，25.90%，碳是组成生物界的主要元素，硅是组成地球矿物界的主要元素。
硅在地壳中的含量仅次于氧，分布很广。
硅有很强的亲氧性，自然界中基本不存在游离态的硅，一般以硅的含氧化合物，如SiO2、硅酸盐等形式存在。
锗、锡、铅主要以硫化物和氧化物的形式存在。
13.2 碳及其化合物单质碳有三种同素异形体金刚石、石墨、和球碳。
金刚石：具有四面体结构。
每个碳以sp3杂化，与相邻四个碳原子结合成键，是典型原子晶体。
金刚石晶体中碳碳键很强，所有价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子金刚石硬度最大，在所有单质中熔点最高，而且不导电。
主要用于制造钻探用钻头和磨削工具，它还用于制作首饰等高档装饰品。
碳六十的发现和结构特点
碳六十的发现和结构特点1996年10月7日，瑞典皇家科学院决定把1996年诺贝尔化学奖授予Robert FCurl，Jr(美国)、Harold WKroto(英国)和Richard ESmalley(美国)，以表彰他们发现C60。
1995年9月初，在美国得克萨斯州Rice大学的Smalley实验室里，Kroto等为了模拟N型红巨星附近大气中的碳原子簇的形成过程，进行了石墨的激光气化实验。
他们从所得的质谱图中发现存在一系列由偶数个碳原子所形成的分子，其中有一个比其它峰强度大20~25倍的峰，此峰的质量数对应于由60个碳原子所形成的分子。
C60分子是以什么样的结构而能稳定呢？层状的石墨和四面体结构的金刚石是碳的两种稳定存在形式，当60个碳原子以它们中的任何一种形式排列时，都会存在许多悬键，就会非常活泼，就不会显示出如此稳定的质谱信号。
这就说明C60分子具有与石墨和金刚石完全不同的结构。
由于受到建筑学家Buckminster Fuller用五边形和六边形构成的拱形圆顶建筑的启发，Kroto等认为C60是由60个碳原子组成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形组成，只有这样C60分子才不存在悬键。
在C60分子中，每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连，剩余的未参加杂化的一个p 轨道在C60球壳的外围和内腔形成球面大∏键，从而具有芳香性。
为了纪念Fuller，他们提出用Buckminsterfullerene来命名C60，后来又将包括C60在内的所有含偶数个碳所形成的分子通称为Fuller，中译名为富勒烯。
碳六十的制备用纯石墨作电极，在氦气氛中放电，电弧中产生的烟炱沉积在水冷反应器的内壁上，这种烟炱中存在着C60、C70等碳原子簇的混合物。
用萃取法从烟炱中分离提纯富勒烯，将烟炱放入索氏(Soxhlet)提取器中，用甲苯或苯提取，提取液中的主要成分是C60和C70，以及少量C84和C78。
碳原子簇
含 C60 C60 C60 C60
电弧放电法 苯火焰燃烧法 高频加热蒸发石墨法
1991年Howard采用把苯和氧的混合 1991年Howard采用把苯和氧的混合 物用氩稀释后， 物用氩气稀释后，进行燃烧得到产 此法可用于工业制备。 物。此法可用于工业制备。
碳电弧法制备装置示意图
由氯仿合成C60及其全氯代碎片 及其全氯代碎片 由氯仿合成
1985年Kroto等发现了碳元素的 年 等发现了碳元素的 第三种同素异形体C60——一种典型 ——一种典型 第三种同素异形体 —— 的碳原子簇， 的碳原子簇，这是当今科学界最重大 的研究成果之一， 的研究成果之一，Kroto因此而荣获 因此而荣获 1996年诺贝尔化学奖。 年诺贝尔化学奖。 年诺贝尔化学奖
碳簇的催化生长
C60等富勒烯是由Smalley 等首先以 脉冲激光在超声分子束喷口的喉道处蒸 发石墨产生的。他们的研究发现, 碳簇形 成环境的氦气密度对C60的形成起了决 定性的作用. 然而, 我们的研究却发现, 即 使在无缓冲气体的环境下, 如果选择合适 的形成条件, 可以通过激光直接蒸发的方 式产生C60等富勒烯.
在经过提取升华液相色谱重结晶等分离步骤后已分离出了其中的部分产物它们经光谱表征后分别为六氯苯八氯萘全氯代苊烯c12cl8全氯代苯并苊烯c16cl10射线单晶衍射测定了c12cl8和c16cl10等的分子和晶体结构
第六章 碳原子簇的合成及应用前景
碳原子簇是指由碳原子结合 在一起的团体结构它是介于原子与 固体粒子之间的团粒分子。 固体粒子之间的团粒分子
根据原子团簇的形成规律, 我们将电弧、激光等 物理方法和溶液的化学合成环境结合起来, 创新和 发展了液相电弧、激光多相溅射、辉光放电、微波 等离子体等合成方法. 以仅含一个碳原子的氯仿为 反应起始物时, 通过以上合成方法均能得到丰富的 产物. 在经过提取、升华、液相色谱、重结晶等分 离步骤后, 已分离出了其中的部分产物, 它们经光 谱表征后分别为六氯苯、八氯萘、全氯代苊烯 (C12Cl8)、全氯代苯并苊烯(C16Cl10) 和全氯代碗 烯(C20Cl10) 等, 并首次以 X 射线单晶衍射测定了C12Cl8 和C16Cl10等的分 子和晶体结构. 有意思的是, 它们都可以看作是C60 的全氯代碎片, 后三种产物都包含了形成富勒烯所 必需的五元环.
- 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)。
重结晶法 化学络合法
增强金属 用作新型催化剂 气体储存 光学材料 高分子材料 生物学及医学应用
含 C60 C60 C60 C60
电弧放电法 苯火焰燃烧法 高频加热蒸发石墨法
1991年Howard采用把苯和氧的混合 1991年Howard采用把苯和氧的混合 物用氩气稀释后， 物用氩气稀释后，进行燃烧得到产 此法可用于工业制备。 物。此法可用于工业制备。
碳电弧法制备装置示意图
由氯仿合成C60及其全氯代碎片 及其全氯代碎片 由氯仿合成
根据原子团簇的形成规律, 我们将电弧、激光等 物理方法和溶液的化学合成环境结合起来, 创新和 发展了液相电弧、激光多相溅射、辉光放电、微波 等离子体等合成方法. 以仅含一个碳原子的氯仿为 反应起始物时, 通过以上合成方法均能得到丰富的 产物. 在经过提取、升华、液相色谱、重结晶等分 离步骤后, 已分离出了其中的部分产物, 它们经光 谱表征后分别为六氯苯、八氯萘、全氯代苊烯 (C12Cl8)、全氯代苯并苊烯(C16Cl10) 和全氯代碗 烯(C20Cl10) 等, 并首次以 X 射线单晶衍射测定了C12Cl8 和C16Cl10等的分 子和晶体结构. 有意思的是, 它们都可以看作是C60 的全氯代碎片, 后三种产物都包含了形成富勒烯所 必需的五元环.
碳簇的催化生长
C60等富勒烯是由Smalley 等首先以 脉冲激光在超声分子束喷口的喉道处蒸 发石墨产生的。他们的研究发现, 碳簇形 成环境的氦气密度对C60的形成起了决 定性的作用. 然而, 我们的研究却发现, 即 使在无缓冲气体的环境下, 如果选择合适 的形成条件, 可以通过激光直接蒸发的方 式产生C60等富勒烯.
第六章 碳原子簇的合成及应用前景
碳原子簇是指由碳原子结合 在一起的团体结构它是介于原子与 固体粒子之间的团粒分子。 固体粒子之间的团粒分子
1985年Kroto等发现了碳元素的 年 等发现了碳元素的 第三种同素异形体C60——一种典型 ——一种典型 第三种同素异形体 —— 的碳原子簇， 的碳原子簇，这是当今科学界最重大 的研究成果之一， 的研究成果之一，Kroto因此而荣获 因此而荣获 1996年诺贝尔化学奖。 年诺贝尔化学奖。 年诺贝尔化学奖