金属富勒烯微纳结构调控与性质

Distinctly different from empty fullerenes,endohedral metallofullerenes (EMFs) have unique structures and novel propeties bacasue of the presence of metallic species and strong metal-carbon interactions. From the point view of chemistry, derivatization of EMFs is the best way to make them useful in many fields like biomedicine, photovoltaics, electronics and magnetics. Meanwhile, construction of micro/nano-meter sized materials based on EMFs and their derivatives with uniform structure and morphopogy is even more meaningful because such materials may bear unprecedented properties and novel applciations.Although preliminary results of some typical nano structures based on empty fullerenes have been reported, correspoding results relating to EMFs are really rare. In this project, we focus on a variety of EMF species with different cage size (structure) and different metallic species, especially these readily availible compounds such as M@C82 and M3N@C2n.Sovelnt-based methods such as the liquid-liquid interfacial precipitation method will be utilized to creat many different nano structures such as hexagonal plate, nanorod and nanotube.On this basis, we will investigate the influences of the cage structures and the types of internal metallic species on the morphology of the mciro/nano structures, trying to get some general rules governing the formation process of the nano structures. Finally, we will study the electronic, optical and magnetic properties of these nano structures by creation of corresponding devices.

与空心富勒烯相比，金属富勒烯由于兼具金属元素与碳材料的性质而备受关注，在生物医学、光电子器件、磁性材料等方面有很多应用。从应用角度来看，将金属富勒烯衍生化是实现其应用的必经之路，而将金属富勒烯或其衍生物组装成形貌、尺寸均一的微纳结构，可以更大程度地拓展其应用范围，并有可能发现一些新性质。但目前只是针对空心富勒烯的微纳结构开展了一些初步的研究，而对于金属富勒烯的研究几乎是一片空白。本项目拟选用多种具有不同碳笼结构和内包金属团簇的物种，尤其是目前可量化生产的单金属富勒烯M@C82和三金属氮化物富勒烯M3N@C80及其衍生物开展研究，采用多种方法制备不同形貌的微纳结构，如纳米片、棒、管等。在此基础上，考察碳笼大小、外接基团性质及内包金属物种对形貌的影响，以期获得一般性规律。最后制备出相应的微纳器件，研究各种不同微纳结构的物理化学性质，主要着眼于光电转换性能，以考察结构与性质的关系。

富勒烯是唯一可溶的碳单质，其中空碳笼内可包入多种金属原子或团簇，形成金属富勒烯。将富勒烯、金属富勒烯及其衍生物组装成具有不同形貌和尺寸的微纳结构，可拓展其应用范围，并可能发现一些新性质。本项目针对多种富勒烯C60、C70和金属富勒烯如Lu2@C2n和M3N@C2n开展了较为系统的研究工作。首先合成了多种富勒烯和金属富勒烯及其衍生物，发展了液/液界面沉积法制备了其中多个化合物的微纳结构，如纳米片、棒、管、多级结构以及纳米带阵列等,并实现了结构形貌的精准控制。采用同步辐射X-射线衍射法测定了多种富勒烯多面体的晶体结构，发现溶剂嵌入晶格是控制所得微纳结构形貌的重要因素，并总结出一般性规律。在此基础上，考察了富勒烯与多种给体分子如钴/锌卟啉等共结晶微纳结构，并制备出相应的微纳器件，考察了他们的各种物理化学性质。例如，纳米棒及纳米管阵列的光电转换性能、共晶结构的高温导电性、溶剂化多面体结构荧的光性质以及多级结构的超疏水性质等，观察到结构与性能的联系。此外，通过对富勒烯纳米棒进行活化处理，得到了良好的超级电容器材料，刷新了这类材料的记录值；采用瞬态光谱法研究了给受体共晶纳米片材料内部的电子传输过程，发现了一些新现象；合成出富勒烯掺杂的NiCoP材料，发现其是析氢反应良好的催化剂。本项目已发表论文20篇，其中在IF>9的期刊发表论文15篇。