富勒烯及其衍生物的形成机制与光伏特性

Although fullerenes and their derivatives have been extensively developed since the discovery of fullerene in 1985, the formation mechanisms of these attractive molecules are still unresolved. Herein, by means of extensive quantum chemistry calculations, the formation processes of cage-like fullerenes and their exohedral derivatives will be unraveled, to explore new fullerene-based functionalized molecules with promising photovoltaic properties for organic solar cells. Firstly, a systematically investigation on fullerene bottom-up growth proceeds from C60 to C100 will be established by locating stable isomers in each Cn family and exploring their structural relations to elucidate the formatio mechanisms of pristine fullerenes. Based on the study of fullerene growth, we will choose a series of stable fullerenesspecies with novel geometrical features and electronic properties as the parental materials to explain the regioselective hydrogenation and halogenation processes on the basis of stepwise radical addition mechanisms. Furthermore, by calculating the cycloaddition and substitution reactions of organic compounds to pristine fullerenes and hydrogenated/halogenated fullerene derivatives, we will design a series of these adducts will be predicted and the influential factors of power conversion efficiency (PCE) will be discussed.

自1985年被发现以来，富勒烯及其衍生物已被大量合成，但其形成机制仍是一个悬而未决的问题。针对此问题的研究将为设计富勒烯新型功能纳米材料提供研究思路。本项目拟采用量子化学方法研究富勒烯及其衍生物的形成机制，从理论上设计寻找具有优良光电转化特性的富勒烯衍生物。首先以C60为起点，通过寻找从C60到C100的稳定富勒烯异构体并研究它们之间的结构关联，揭示富勒烯自底向上的生长过程并探索富勒烯生长的最优路径。其次，以富勒烯的生长机理为基础，选择具有特殊结构和电学特性的稳定富勒烯分子为研究对象，合成这些富勒烯衍生物并检测其光电转化效率。此外，根据自由基分步加成机理，综合考虑碳笼结构、轨道及自旋分布，研究富勒烯发生的选择性氢化/卤化机制。第三，通过研究纯富勒烯及其氢化/卤化物与有机分子的加成和取代反应，设计一系列富勒烯-有机加合物。

自1985年被发现以来，富勒烯及其各种功能衍生物已被大量实验制备、合成与表征，但其本质的生长机理与形成机制仍然是一个悬而未决的问题。针对此问题的研究将为设计富勒烯新型功能纳米材料提供思路。本项目利用严密的量子化学方法围绕着深入探究富勒烯的形成机制，从理论上系统研究了一系列具有潜在应用可能的各类富勒烯衍生物的电子结构及物理化学特征性质。首先以C50为起点，通过寻找从C50到C70的稳定富勒烯异构体并研究它们之间的结构关联，揭示富勒烯自底向上的生长过程并探索富勒烯生长的最优路径，并探索碳环的稳定性变化规律，为环向笼的转变研究提供理论基础。其次，揭示了内嵌衍生物的理化性质，并探索了金属成键特性；此外，综合考虑碳笼结构、轨道及自旋分布，研究富勒烯发生的选择性卡宾加成机制。第三，金属与非金属相互作用的研究，揭示了一系列Au催化环化的反应机理。