可控合成分子掺杂富勒烯材料高压新结构的基础研究

In recent years, several breakthroughs in the high-pressure studies on molecule doped fullerene materials have shown many new high-pressure phases with excellent properties and novel structures. Further studies in this field find that the formation of the new phases is controlled by many factors, which provides new ideas and opportunities for the controllable synthesis of new high-pressure structures. The previous works have revealed the roles of dopant molecules and confined structure in the pressure induced structural transformation of the materials. However, the mechanism about the regulatory role of aromatic dopant molecule related factors is still not very clear, and the influence of fullerene molecules on such structural transformation has not been elucidated yet. In this project, we intend to synthesize 2mesitylene/C70, C70(S8)6, m-xylene/C60, m-Cl/C60 and carry out high pressure/high temperature high pressure studies on these samples combined with in situ spectroscopic measurement. The studies will focus on the roles of the molecular orientation of fullerenes, the structure and concentration of aromatic dopant molecules in modulating the structural transformation of the materials under extreme conditions. The related mechanisms would also be studied in details. In order to explore new structural transformation mechanisms, we propose to extend our high-pressure study to fullerene derivatives, which have analogous structures to aromatic molecule doped fullerene materials. The research of this project will provide new theoretical and experimental basis for the controllable synthesis of new high-pressure carbon phase.

近年来，人们在分子掺杂富勒烯材料的高压研究中取得了令人兴奋的成果，获得了一些具有优异性质和新奇结构的高压新相。进一步研究发现这些新相的形成可受多种因素调控，这为可控合成高压新结构提供了思路和机会。前期工作在揭示几种掺杂分子和空间限域结构对材料高压结构转变的调控作用方面取得了一些新进展，但是对苯类掺杂分子相关因素的调控作用还不是很清楚，并且富勒烯分子对高压结构转变的影响还未被详细阐述。围绕这些问题，本项目拟合成2mesitylene/C70，C70(S8)6，m-xylene/C60，m-Cl/C60等分子掺杂富勒烯材料进行高压及高温高压研究，并结合在位光谱测试技术，重点研究苯类掺杂分子浓度、结构及富勒烯分子取向等因素对材料极端条件下结构转变的调控作用及相应物理机制。同时拟将研究范围拓展至结构类似的富勒烯衍生物，探索新的结构转变机制。本项目的研究将为可控合成高压新碳相提供新的理论和实验基础。

分子掺杂富勒烯材料在高压下能够转变为具有优异性质和新奇结构的高压新相，为制备新型功能碳材料提供了新的途径。然而，影响此类材料高压下结构性质转变的关键因素和相关机制还未被掌握。针对这一问题，本项目对几种典型的分子掺杂富勒烯材料开展了系统的高压研究，并取得了一些重要的突破和新的进展。同时，本项目将研究范围向富勒烯衍生物、其它类型碳材料和实验方法进行了适当的拓展，为可控合成富勒烯新结构和高压新碳相探索出了一些新的思路和方法。运用在位高压光谱测试技术并结合理论模拟对所合成的2mesitylene/C70、C70(S8)6、C8H8(立方烷）/Sc3N@C80和C10H9/C60（蒽单加成富勒烯）等分子掺杂富勒烯/富勒烯衍生物晶体进行了系统的高压研究。揭示了掺杂分子的浓度、分子结构、化学特性、空间限域作用、与邻近分子/嫁接基团/团簇间相互作用等因素对晶体高压下结构性质转变和新相形成的重要影响和相应机制，并成功截获4种高压新碳相。在2meistylen/C70晶体高压研究中首次发现长程有序非晶碳团簇结构在压力作用下发生高密度-低密度相结构转变，在C8H8/Sc3N@C80高压研究中发现高压下电荷转移诱导掺杂分子发生异构反应导致的负压缩现象。此外，通过对m-xylene/C60、mesitylene/C60、m-Cl/C60等分子掺杂富勒烯晶体进行高温高压实验和分子动力学模拟研究，成功探索出掺杂分子结构和空间限域作用对高温高压条件下富勒烯聚合产物的结构、组成成分和光致发光性质的调控作用及相应机制，并提出了一种制备新型富勒烯聚合结构的新途径。另一方面，在探索制备富勒烯新结构和高压新碳相等方面进行了拓展研究。提出水热处理m-xylene/C60晶体制备具有优异光致发光性质的新型富勒烯多孔材料的新方法，发现碗烯分子在高压下发生聚合反应转变为非晶碳结构，在高压下制备出一维碳链与碳纳米管的聚合结构并通过理论模拟预测了一种具有超硬特性的新型高压碳相C14。上述研究成果为实现可控合成分子掺杂富勒烯材料高压新结构提供了新的实验和理论基础，具有认识基本科学规律的重要理论意义和发展新型碳材料的潜在应用价值。