论文富勒烯的研究进展

富勒烯的研究进展

摘要：富勒烯发现至今只有短短20年时间,由于其独特的结构和物理、化学性质,吸引了众多科学家的目光,因此在这20 年中,使得C60化学得到了很大的发展.文章综述了富勒烯的几种合成方法，并阐述了目前常用的应用现状，最后对其未来的发展作了展望。

关键词：无机富勒烯碳纳米管结构富勒烯C

90

生物富勒烯硅富勒烯电弧法芳烃分步凝聚相

Abstract: the fullerenes found so far only a short span of 20 years, because of its unique structure and physical and chemical properties, attracted the attention of many scientists, so in these 20 years, makes the C60 chemical got great development. The article summarizes the several synthetic methods of fullerenes, and expounds the present situation of the application of commonly used at present, finally made a prospect for its future development.

引言：富勒烯的发现始于1985 年Kroto 等【1】在高真空环境下激光溅射石

墨的研究。利用这种方法只能产生数以千计的富勒烯分子,根本无法进行富勒烯详细的性质表征研究, 当然更谈不上应用。1990 年,Krastchmer 等【2】发明了低压氦气环境下石墨电极电弧放电法合成富勒烯,能够得到克量级的C60 产物。由于富勒烯特殊的结构和性能,在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有重要的研究价值和应用前景。1991 年富勒烯被美国《科学》杂志评为年度分子,富勒烯被列为21 世纪的新材料。此后,科学家经过不断的探索和研究,发明了更多生产富勒烯的方法,例如连续石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法【3】、引入铁磁性金属催化剂法【4、5】、高温等离子体石墨蒸发法【6、7】,苯高温火焰燃烧法【8-10】等。而且富勒烯在日常生活中的应用越来越广泛, 因而富勒烯产品在未来社会具有很好的发展前景。

1.富勒烯的结构

因为C

60

是富勒烯家庭[11]中相对最容易得到、最容易提纯和最廉价的各类，因此

C

60

及其衍生物是被研究和应用最多的富勒烯。

通过质谱分析、X射线分析后证明，C

60

的分子结构为球形32面体[12]，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[13]，所以，富勒烯也被称为足球烯。C

60是高度的I

h

对称，

高度的离域大π共轭，但不是超芳香体系，它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，C 60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[14-17]。C 60有1812种个异构体。

C 60及其相关C 70两者都满足这种所谓的孤立五角规则（IPR ）。而C 84的异构

体中有24个满足孤立五角规则的，而其他的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Tb 3NaC 84。或具有球外化学修饰而稳定的富勒烯如C 50C l10，以及C 60H 8。理论计算表明C 60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。

2.富勒烯的分类

（1）无机富勒烯[18]

R.Tenne 在高温还原性气氛(95%NH 2)中将WO 3与H 2S 反应，制备了类似于C 60和碳纳米管结构的WS 2纳米粒子和纳米管，宣告了无机富勒烯

(1norganic{uller-ene ，IF)纳米材料的发现。它们在结构上与C 60、碳纳米管类

似，是同心(轴)圆(管)构成的层状结构。

由于无机富勒烯纳米材料的奇特结构、优异性质和许多潜在应用，一经发现，就引起了全世界科学家的广泛关注和研究兴趣。目前，各种层状无机化合物BN 、WS 2、MoSe 2、WSe 2、A12O 3、CDCl 2、TiO 2、Nb S 2、ReS 2、TiS 2、K 4NbO17的纳米粒子

和纳米管已经被发现。IF-WS 2纳米粒子具有准球形结构，没有悬空键，具有低的

表面能、高的化学稳定性，使得它的摩擦性能远优于传统的层状2H-WS 2。最近又有报道证明WS 2纳米管可作为锂离子电池的电极材料、原油氢化脱硫的催化剂、

储氢材料、扫描隧道显微镜(STM)针尖[19-21]。研究IF-WS 2纳米粒子和纳米管的各

种物理性能和潜在应用，寻求更加经济、有效地制备合成这种材料的方法，仍然是科学家面临的具有重要意义的问题。

IF-WS 2纳米粒子和纳米管的发现，为钨新材料的开发和应用开辟新的领域，

尤其是其独特的微观结构，决定其具有许多新奇的性能，从而产生了许多不易预料的应用。IF-WS 2纳米粒子和纳米管的研究在国内外已经有近20年的时间，国

外的制备技术已经比较成熟，现在主要研究它们的机械、光学、摩擦和其他的物理性质以及在各个领域的应用，特别是以色列的R.Tenne 领导的研究小组已经实现了连续制备1F-WS 2纳米粒子和纳米管，每个月可以制备几千克的产物，在美