富勒烯相关知识

燃烧法
将苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有 C60 或 C70，通过调整压强、气体比例 等可以控制 C60 与 C70 的比例，该法设备要求低，产率可达到 0.3%-9%，是工业中生产 富勒烯的主要方法。
化学气相沉积（ CVD）
主要用于制备碳纳米管，合适实验条件可制备出富勒烯。反应过程：有机气体和
富勒烯
制备
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 电极中添加铁，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 ,在惰性气氛下碳分子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳 定的 C60 及高碳富勒烯分子 , 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。
导致了它的兼并轨道的分裂从而得到了电子能量。这种 Jahn-Teller型的电子 -声子作用
在 C60 固体中非常强以致于可以破坏了特定价态的价带图案。
窄带隙或强电子相
互作用以及简并的基态对于理解并解释富勒烯固体的超导性非常重要。电子相互斥力
比带宽大时，简单的 Mott-Hubbard 模型会产生绝缘的局域电子基态，这就解释了常压
C70
理论计算表明 C70 的 LUMO 轨道是一个二重简并轨道，不过它的 LUMO+1轨道与 LUMO 轨道的能级差很小，因此它可以得到至少六个电子，常规的循环伏安和差示脉 冲伏安法检测只能得到 4 个还原电势，而在真空条件下使用乙腈和甲苯的 1：5 的混 合溶剂可以得到六个还原电势的谱图。
低对称性富勒烯
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；
[26]
? 球棒相连二聚体 ：两个巴基球被碳链相连； ? 富勒烯环 。
[20]富勒烯 (十二面图 )
[26] 富勒烯
C60 (截断二十面体图 )
C70
硼巴基球 2007 年科学家们预测了一种的新的硼巴基球，它用硼取代了碳形成巴基球，
燃烧热 : 9.08kca·l mol-1
折射率 : 2.2(600nm)
沸点 : 800K升华
六方晶系
蒸汽压：室温 5×10-6torr ，800K时 8×10-4torr
溶解性
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， C70 的溶液比 C60 的稍 微红一些，因为其它在 500nm 处有吸收；其它的富勒烯如 C76、C80 等则有不同的紫 色。富勒烯是迄今发现的唯一在室温下溶于常规溶剂的碳的同素异性体。
99．9％ .Atwood 法 用环芳烃 (n=8)来处理含 C60 ／ C70 混合物的甲苯溶液，由于环芳烃 对 C60 独特的识别能力，形成 1:1 包结物结晶，该结晶在氯仿中迅速解离，可以得到 纯度大于 99.5%的 C60 ，从母液中得到富 C70 的组分 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
有些富勒烯是不可溶的，因为他们的基态与激发态的带宽很窄，如
C28，C36 和 C50。
C72 也是几乎不溶的，但是 C72 的内嵌富勒烯，如 La2@C72 是可溶的，这是因为金属元
素与富勒烯的相互作用。早期的科学科学家对于没有发现 C72 很是疑惑，但是却有 C72
的内嵌富勒烯。窄带宽的富勒烯活性很高，经常与其它富勒烯结合。化学修饰后的富
烯。 C60 是高度的 Ih 对称，高度的离域大 π共轭，但不是超芳香体系，他的核磁共振 碳谱只有一条谱线，但是它的双键是有两种，它有 30 个六元环与六元环交界的键， 叫[6,6]键， 60 个五元环与六元环交界的键，叫 [5,6]键。 [6,6] 键相对 [5,6]键较短 ,C60 的 X 射线单晶衍射数据表明， [6,6]键长是 135.5 皮米， [5,6]长键是 146.7 皮米，因此 [6,6]有 更多双键的性质，也更容易被加成，加成产物也更稳定，而且六元环经常被看作是苯 环，五元环被看作是环戊二烯或五元轴烯。
Nagata 发明了一项富勒烯的公斤级纯化技术。 该方法通过添加二氮杂二环到 C60, C70 等同系物的 1、 2、3-三甲基苯溶液中。 DBU 只会和 C70 以及更高级的同系物反应，并 通过过滤分离反应产物，而富勒烯 C60 与 DBU不反应，因此最后得到 C60 的纯净物； 其它的胺化合物，如 DABCO，不具备这种选择性。
时铯掺杂的 C60 固体是没有超导性的 。电子相互作用驱动的 t1u 电子的局域超过了 临界点会生成 Mott 绝缘体，而使用高压能减小富勒烯相互间的间距，此时铯掺杂的
C60 固体呈现出金属性和超导性。
关于 C60 固体的超导性还没有完备的理论，但是 BCS理论是一个被广泛接受的理论， 因为强电子相互作用和 Jahn-Teller电子 -声子偶合能产生电子对， 从而得到较高的绝 缘体 -金属转变温度。
勒烯衍生物的溶解性增强很多，如 PC61BM 室温下在氯苯中的溶解度是
50mg/mL。 C60 和 C70 在一些溶剂的溶解度列于左表，这里的溶解度通常是饱和浓度
的估算值。
导电性 超导
C60 固体超导性的 BCS理论认为，超导转变温度随着晶胞体积的增加而升高，因为
C60 分子间的间隔与费米能级 N(εF)的态密度的升高相关，因此科学家们做了大量的工 作试图增加富勒烯分子间的距离，尤其是将中性分子插入 A3C60 晶格中来增加间距同 时保持 C60 的价态不变。不过，这种氨化技术意外地得到了新奇的富勒烯插入复合物 的特别的性质： Mott-Hubbard 转变以及 C60 分子的取向 / 轨道有序和磁结构的关 系。 C60 固体是由弱相互作用力组成的，因此是分子固体，并且保留了分子的性质。 一个自由的 C60 分子的分立能级在固体中只是很弱的弥散，导致固体中非重叠的带间 隙很窄，只有 0.5eV。未掺杂的 C60 固体， 5 倍 hu 带是其 HOMO 能级， 3 倍的 t1u 带是 其空的 LUMO 能级，这个系统是带禁阻的。但是当 C60 固体被金属原子掺杂时，金属 原子会给 t1u 带电子或是 3 倍的 t 1g 带的部分电子占据有时会呈现金属性质。虽然它的 t 1u 带是部分占据的，按照 BCS理论 A4C60 的 t 1u 带是部分占据的应该有金属性质，但是 它是一个绝缘体 ，这个矛盾可能用 Jahn-Teller效应来解释，高对称分子的自发变形
C60 可以与环糊精以 1:2 的比例形成配合物，而 C70 则不行，一种分离富勒烯的方法就 是基于这个原理，通过 S-S桥固定环糊精到金颗粒胶体，这种水溶性的金 / 环糊精的复 合物 [Au/CD]很稳定 ,与不水溶的烟灰在水中回流几天可以选择性地提取 C60，而 C70 组 分可以通过简单的过滤得到。将 C60 从[Au/CD] 复合物中分离是通过向环糊精水溶液加 入对环糊精内腔具有高亲和力的金刚烷醇使得 C60 与[Au/CD] 复合物分离而实现 C60 的 提纯，分离后通过向 [Au/CD/ADA]的复合物中添加乙醇，再蒸馏，实现试剂的循环利 用。 50 毫克 [Au/CD]可以提取 5 毫克富勒烯 C60。后两种方法都只停留在实验室阶段， 并不常用。
Coustel重结晶法 Coustel等利用 C60 和 C70 在甲苯溶液中溶解度的不同，通过简单的重 结晶法得到纯度为 95-99％的 C60 。本方法第一次重结晶得到 C60 的纯度约为 95％，通 过二次重结晶得到的 C60 ，纯度达到 98％-99％。 Prakash法 由于 C70 等高富勒烯对 AlCl3 的亲和力大于 C60 ，据此， Prakash将 C60 与 C70 的混合物溶入 CS2 中，加入适量 AlCl3 ，由于 C70 等高富勒烯与 AlCl3 形成络合物，因而从溶液中析出， C60 仍留在溶液 中，如加入少量水，可有利于 C60 的纯化分离，此法分离出的 C60 纯度可达到
低对称性富勒烯的键长是不一样的，虽然也是离域 出来有很多条碳信号。
π键，从核磁共振碳谱可以清楚看
手性
一些富勒烯是 D2 对称性的，因此他们是有固有手性的，如 C76、 C78、C80 和 C84 等，科 学家一直致力于发展特别的传感器来识别和分离他们的对映异构体。
性质
物理性质
物化性质 C60 的密度为 1.65g.cm-3
N2
压入石英管，用激光、电阻炉或等离子体加热，气体分子裂解后在催化剂表面生长成
Baidu Nhomakorabea
富勒烯或碳纳米管。催化剂一般为 Fe、Co、Ni、Cu 颗粒。 CVD设备简单，原料成本
低，产率高；并且反应过程易于控制，可大规模生产。
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
通常是以 C60 为主， C70 为辅的混合物，还有碳纳米管、无定形碳和碳纳米颗粒。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，还需要用高效液相色谱（纯度高，设备昂贵，分离量小）来精分。
B80 的结
构是每个原子都形成五或六个键，它比 C60 稳定。 其它巴基球 另外一种常见的富勒烯是 C70, 72, 76, 84，甚至 100 个碳组成的巴基球也是很容易得到 的。 碳纳米芽 纳米芽 是通过共价键将富勒烯吸附在碳纳米管外形成纳米“芽”结构。 富勒体 富勒体 (Fullerites) 是富勒烯及其衍生物的固态形态的称呼，中文一般不特别称呼这个 形态。超硬富勒体这个词一般被用来表述使用高压高温得到的富勒体，这种条件下普 通的富勒烯固体会形成钻石形式的纳米晶体，它有相当高的机械强度和硬度。 内嵌富勒烯 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，如氢、碳、 钪、氮等，大部分是在电弧法制造富勒烯的过程中形成的，也可以通过化学方法将富 勒烯打开孔后装入一些原子或分子。 主条目：金属富勒烯 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......暂时有 1812 种富勒烯。所有富勒烯结构的五边形个数为 12 个，六 边形个数为 n-10。 C60 的分子结构为球形 32 面体，它是由 60 个碳原子通过 20 个六元环和 12 个五元环 连接而成的具有 30 个碳碳双键的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球
Tb3NaC84。或
具有球外化学修饰而稳定的富勒烯如 C50Cl10，以及 C60H8。
理论计算表明 C60 的最低未占据轨道 (LUMO)轨道是一个三重简并轨道，因此它可以得 到至少六个电子，常规的循环伏安和差示脉冲伏安法检测只能得到 4 个还原电势，而 在真空条件下使用乙腈和甲苯的 1:5 的混合溶剂可以得到六个还原电势的谱图。
C60 及其相关 C70 两者都满足这种所谓的孤立五角规则 (IPR)。而 C84 的异构体中有 24 个
满足孤立五角规则的，而其它的 51568 个异构体则不满足孤立五角规则 ,这 51568 为非
五角孤立异构体，而不满足孤立五角规则的富勒烯迄今为止只有几种富勒烯被分离得
到，比如分子中两个五边形融合在顶尖的一个蛋形笼状内嵌金属富勒烯