新型内嵌原子簇富勒烯的合成及其物理化学性质研究

Endohedral fullerenes are novel nano carbon materials and have great potentials on the application in the research fields such as electronics, energy and biomedicine etc. Clusterfullerenes represent a branch of endohedral fullerenes with the highest thermal stability and product yield and have become the focus in the recent research of fullerene materials. The endohedral clusters are formed by the combination of variable metal and non-metal atoms, which give rise to extreme versatility to alter electronic structures and properties of the clusterfullerenes. Our objective is to synthesize a series of sulfide clusterfullerenes and phosphorous clusterfullerenes with novel endohedral structures. The physical and chemical properties of these clusterfullerenes will be investigated upon the successful synthesis and purification, focusing on the tuning effect of endohedral cluster on the electronic structures and chemical reactivity of the clusterfullerenes. The structural change of the clusterfullerenes upon the electrochemcial reduction and the mechanism of this process will be studied via the electrocrystallizaition method. These studies will provide an important insight into the structures and properties of clusterfullerenes and offer a boarder spectrum of application of these novel nano carbon materials.

内嵌富勒烯是新型的纳米碳材料，在电子、能源、生物医学等领域有广阔的应用前景。在已报道的几种内嵌富勒烯中，内嵌原子簇富勒烯是稳定性和产率最高的一类，也是当前富勒烯材料领域的研究热点。内嵌原子簇可通过多种金属与非金属原子的结合而形成不同的结构，这种多样性对内嵌原子簇富勒烯的电子结构和物理化学性质有重要的调控作用。本项目的研究目标在于制备一系列新结构的内嵌硫化物/磷化物富勒烯，探索新结构内嵌原子簇的合成，并对这一系列新型内嵌原子簇富勒烯进行物理化学性质研究，探讨内嵌原子簇的变化对其电子结构和化学反应性的影响。通过对电化学结晶法所获得的内嵌原子簇富勒烯离子晶体的结构解析，研究内嵌原子簇富勒烯在还原前后的结构变化和电化学还原的机理。这些研究成果将对内嵌原子簇富勒烯作为新型纳米碳材料的应用产生推动作用。

内嵌原子簇富勒烯是内嵌富勒烯中稳定性和产率最高的一类，内嵌的原子簇由金属和非金属原子所组成，其内嵌结构呈现出丰富的多样性。这种富勒烯的内嵌结构对其电子结构和物理化学性质都有着重要的调控作用, 在生物医学、分子电子器件以及光电器件中显示出良好的应用前景。本项目通过引入CO2作为氧源，使用电弧放电法，制备了一系列的新型内嵌氧化物富勒烯Sc2O@C2n（n=35-45）。对其中主要的6个内嵌氧化物原子簇富勒烯用高效液相色谱进行了分离纯化，用单晶X射线衍射法进行了精细的结构表征，并对他们的物理化学性质进行了系统的表征分析。通过结构和电化学性质研究，发现（1）内嵌的氧化物原子簇具有柔性，可根据碳笼的大小和结构变化变换原子簇键角，但其Sc-O键键长基本保持不变。（2）内嵌的氧化物原子簇以及碳笼的结构对化合物的电化学性质有显著影响，内嵌富勒烯碳笼的大小与对称性对氧化物原子簇内嵌富勒烯的氧化还原电位以及电化学反应行为有显著的影响。（3）内嵌氧化物原子簇富勒烯的碳笼结构能够通过Stone-Wales 和C2的插入和去除进行相互转换，揭示了内嵌富勒烯在形成过程中可能存在的生长机理。本项目发展了一种新型的内嵌富勒烯材料的制备与分离纯化方法，并对一系列不同碳笼结构的内嵌原子簇富勒烯进行了精确的结构测定和物理化学性质分析，揭示了其结构与性质的关联，对内嵌富勒烯材料的特性与生长机理研究有重要的指导意义。