内嵌富勒烯的瞬态高压合成及其机理研究

内嵌富勒烯具有独特的结构和电子特性，在材料科学领域具有广泛的应用前景，但是目前合成方法得率低、成本高，严重阻碍了其研究和应用的发展，因此探讨内嵌富勒烯新的合成方法具有重要的科学意义和应用价值。本申请拟发展一种在瞬态高压下制备非金属内嵌富勒烯的新方法，以期在低成本宏量制备内嵌富勒烯方面有所突破。具体实验手段是在密闭的金属容器中装入高能炸药药柱、富勒烯和待嵌入气体如氦、氩等，并由金属飞片将炸药和富勒烯分开，实验时由炸药爆炸产生的瞬态高压推动飞片，传递能量将气体分子嵌入富勒烯笼内。前期探索实验已成功实现了He@C60和He2@C60的合成，表明该方法原理可行。本项目研究目标是探索在瞬态高压下制备内嵌富勒烯的合成机理，研究在不同种类与用量炸药以及不同材质与尺寸飞片等参数下内嵌富勒烯的产率,优化内嵌富勒烯的产生条件，并结合分子动力学模拟内嵌富勒烯的形成过程，建立利用瞬态高压法制备内嵌富勒烯的理论模型

提出瞬态高压法（动态高温高压法即冲击波飞片法）制备内嵌富勒烯的方法，为此，设计并制造出可用于制备的小型爆炸反应容器。运用不可压缩模型推导出爆轰冲击波推动下飞片速度的解析式，利用阻抗匹配法求得飞片撞击靶（C60）速度与样品靶内冲击波强度的关系，进而通过控制主发药类型、有效装药量、飞片的机械强度、飞片质量与飞片与靶（C60）距离，实现所加载冲击波强度的可控与可知。.利用自制爆炸反应器，采用冲击波飞片法制备氦、氩内嵌富勒烯，利用多步高效液相色谱分离方法，富集得到He@C60 、He2@C60和Ar@C60包合物，建立了动态高温高压法制备内嵌富勒烯的技术；通过多步及循环HPLC法分离得到纯品He2@C60、C74、C76、C84和C120O，利用质谱等手段对其结构进行了确认。.初步探讨了加载不同冲击波强度对氦内嵌富勒烯合成的影响，获得了飞片加载与否、飞片与原料间距离、炸药种类、炸药能量等因素对动态高压法制备内嵌富勒烯的影响。结果表明，当加载冲击波强度在8.7 GPa-13.3 GPa内，压强在11.2 GPa左右有利于He2@C60的合成。.以萨哈方程为基础，应用平面波赝势能和GGA/DND密度函数理论初步研究了不同价态C60的分子结构和物理化学性质，结果表明，不同价态C60的碳碳键长不同，键长随电荷的增加而增长，不同价态C60离子的得电子能力不同，He在嵌入过程中会与碳笼发生相互作用，与碳笼之间有明显的电子转移；内嵌富勒烯X@C60（X=He, Ne, Ar, Kr , Xe）的形成采用“直接嵌入”和“碳笼打开—嵌入—自我修复”的方式。.采用第一原理分子动力学方法（AIMD）模拟和研究了动态高压下内嵌富勒烯的形成机理。结果表明，在动态高温高压条件下，高速He通过六元环直接嵌入C60能垒为9.54eV，若形成C58缺陷再嵌入能垒为3.0 eV，另一方面，在动态高温高压条件下，C60分子之间可能碰撞形成具有九元环结构的缺陷，有效降低嵌入的能垒，仅需2.6 eV。动态高温高压下内嵌富勒烯的形成过程为：爆轰冲击波加速粒子碰撞，导致富勒烯分子C-C键断裂，形成缺陷富勒烯；待嵌入分子或原子嵌入笼内；缺陷修复形成完整的富勒烯内嵌物。同时通过AIMD模拟了动态高压下 C60O的碰撞过程，结果表明，C60O碰撞导致碳笼破裂产生十一元环的C60缺陷，再单个C原子修复C60形成CO@ C60。