金属富勒烯结构与性质的同步辐射研究

金属富勒烯在太阳能电池和磁性材料等方面显示出良好的应用前景。本项目系统地合成三个系列的金属富勒烯，通过与不同的共晶试剂超分子组装成单晶体系，进而利用同步辐射X-射线单晶衍射、同步辐射X-射线精细结构谱（XANES和EXAFS)等技术，考察所合成的新型金属富勒烯结构，内嵌金属的价态与配位环境，电荷转移特性，揭示内嵌金属物种与碳笼的化学键本质及其电子结构和物理化学性质关系。与高等级的DFT计算结合，在分子水平上研究内嵌金属或金属原子簇与碳笼的电荷转移、轨道作用等，从而深入认识金属富勒烯体系特殊的化学成键本质。为基于大碳笼金属富勒烯新型功能材料的设计和应用提供基础数据和理论指导。

同步辐射光以其高亮度优势可以对金属富勒烯裸笼和八乙基卟啉镍等自组装而成的超分子化合物以及金属富勒烯衍生物本身所形成的单晶体进行全面的结构分析，采用单晶X-射线衍射、同步辐射吸收谱（XANES 和EXAFS）等技术，并结合高等级的DFT计算，可以得到金属富勒烯在分子水平上的几何结构、电荷转移、配位结构、轨道作用、金属碳笼间化学成键本质以及材料性质等信息。 . 本项目通过填充Sm2O3石墨棒的电弧蒸发放电法合成、原灰二氯苯超声提取、三种富勒烯专用高效液相色谱柱多步分离得到内嵌Sm的单核金属富勒烯Sm@C84的三个异构体、Sm@C80的一个异构体，Sm@C92的两个异构体和Sm@C94的四个异构体；双核含Sm系列金属富勒烯Sm2@C2n （n= 44, 45, 46）各一个异构体；空心大碳笼富勒烯C96四个异构体。并且其中的两个Sm@C84异构体；两个Sm@C92异构体和四个Sm@C94异构体中丰度最大的Sm@C94(I)；双核含Sm系列金属富勒烯Sm2@C2n （n= 44, 45, 46）各一个异构体；以及空心大碳笼富勒烯C96四个异构体中的两个次异构体，共11个富勒烯及金属富勒烯样本与八乙基卟啉Ni II或者二（乙烯二硫基）四硫富瓦烯通过扩散溶剂挥发法得到超分子共晶单晶，经单晶X-射线衍射分析明确无误地确定了碳笼结构，通过DFT量子化学计算模拟，给出了各碳笼结构异构体在能量上的稳定性顺序，在分子水平上阐明了各金属富勒烯化合物的电荷分布结构及轨道作用、指出金属碳笼间存在配位键，且碳笼与超分子客体八乙基卟啉Ni（II）或二（乙烯二硫基）四硫富瓦烯之间相互作用的本质为静电相吸。 . 值得一提的是：本项目合成分离得到的Sm@D3d(19)-C84此前从未见发表；Sm2@C2n （n= 44, 45, 46）系列也是经典二价双核金属富勒烯合成分离及结构确认的首次报道；大碳笼空心富勒烯C96更是目前为止报道过的最大空心富勒烯结构，其中的一个异构体D3d(3)-C96是本课题组继D5h(1)-C90、La2@D5(450)-C100、Sm2@D3d(822)-C104之后合成分离确认结构的又一个小碳纳米管型碳笼。相信以上研究能够在基于大碳笼金属富勒烯新型功能材料的设计和应用方面提供基础数据和理论指导。.