碳的新同素异形体-新型富勒烯全碳二维材料的制备及性能研究

The achievement of graphene makes scientists’ attention focusing on the other 2D carbon allotrope. The current research mainly focus on the atomic 2D materials which monoatomic layer thickness are via covalent bond linkages, such as graphene, graphdiyne and graphenylene. Fullerenes are 0D material. Linked with pure carbon molecules (such as alkynyls), a pure carbon molecular two-dimensional material can be formed. In this proposal, the synthesis of C64-acetylene covalent derivatives a C3v symmetric structure is described. Trigonal star, building block are confined at the air/water interface by LB film method. Compression followed by coupling reaction between acetylenes on the 2D and layer-Layer provides the bilayer hexagonal porous structure. The physical and chemical properties, including absorption, catalysis, photovoltaic, separation and so on, will be preliminarily explored. Combined with experimental and theoretical studies, the correlations between intrinsic physical properties and crystal structure, monolayer structure and bilayer structure are built. The combination of sp、sp2、sp3 electron structure is expected to have novel properties. These findings will methodologically benefit the molecular designation and synthesis of carbon allotrope.

石墨烯开启了二维材料的研究，也引发了其他二维碳同素异形体如石墨炔的制备和发现。但目前纯碳的二维材料的种类十分稀少，局限于具有单原子层厚度的原子二维材料：石墨烯、石墨炔和graphenylene。富勒烯可以看做零维的碳同素异形体，如果以其为节点通过纯碳的连接基团（如炔基）偶联，就可以形成纯碳的分子二维材料。本项目设计、合成一系列C3对称的富勒烯C64的炔基四取代分子作为构建单元，通过修饰炔基间的偶联，构筑新型的以富勒烯为节点的全碳二维材料。通过取代基团中的炔基数目（如炔基，二炔基）的调节，探索和调控它的电学、催化、光电、分离等性能。结合理论分析，研究性能与富勒烯基二维碳材料的结构之间的关系，探索建立构效关系模型。该全碳的分子二维材料具有全新的成键方式组合（同时含有sp、sp2、sp3杂化的电子结构），有望带来新奇的材料性能，也将为其他全碳二维材料的设计提供新思路。

富勒烯作为结构单元构建成全碳二维材料将具有重大意义，富勒烯高度对称性使其从理论上存在构筑二维材料的可能，但是目前没有有效的方法控制对称的富勒烯反应。因此，本项目针对以上问题，围绕富勒烯的对称性修饰，合成并分离得到了一批的高度对称、准确结构富勒烯衍生物。将其作为功能层引入钙钛矿层和PC61BM层之间构筑三层电子传输层的太阳能电池器件。结果表明高度对称的结构和柔软的取代基团，使电子传输层具备规整的堆积模式。从而提升了器件内部的电子提取过程，减少了器件内部钙钛矿晶界上、界面上的电荷积累现象，延缓了器件内部的离子迁移，有效的提高了钙钛矿太阳能电池稳定性和光电转换效率。同时发展了原位反应的质谱监控检测方法-实时嗅探质谱技术，该质谱技术的检测对象可以是气体、固体、液体，并且对检测对象所处的环境，如光照、加热、超声等，没有特殊要求。实时嗅探质谱实现了固液反应中富勒烯对称反应中间体的检测，验证对称性反应中取代基团的难易程度。