2022年富勒烯相关知识.docx

精品学习资源富勒烯制备目前较为成熟的富勒烯的制备方法主要有电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等；电弧法一般将电弧室抽成高真空 , 然后通入惰性气体如氦气；电弧室中安置有制备富勒烯的阴极和阳极 , 电极阴极材料通常为光谱级石墨棒，阳极材料一般为石墨棒 , 通常在阳极电极中添加铁，镍，铜或碳化钨等作为催化剂；当两根高纯石墨电极靠近进行电弧放电时, 炭棒气化形成等离子体 ,在惰性气氛下碳分子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳固的 C60 及高碳富勒烯分子 , 它们存在于大量颗粒状烟灰中 , 沉积在反应器内壁上 , 收集烟灰提取；电弧法特别耗电，成本高，是试验室中制备空心富勒烯和金属富勒烯常用的方法；燃烧法将苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有 C60 或 C70，通过调整压强、气体比例等可以掌握 C60 与 C70 的比例，该法设备要求低，产率可到达 0.3%-9%，是工业中生产富勒烯的主要方法；化学气相沉积〔 CVD〕主要用于制备碳纳米管，合适试验条件可制备出富勒烯；反应过程：有机气体和 N2 压入石英管，用激光、电阻炉或等离子体加热，气体分子裂解后在催化剂外表生长成 富勒烯或碳纳米管；催化剂一般为 Fe、Co、Ni、Cu 颗粒； CVD设备简洁，原料成本低，产率高；并且反应过程易于掌握，可大规模生产；提纯欢迎下载精品学习资源富勒烯的纯化是一个获得无杂质富勒烯化合物的过程；制造富勒烯的粗产品，即烟灰通常是以 C60 为主， C70 为辅的混合物，仍有碳纳米管、无定形碳和碳纳米颗粒；打算富勒烯的价格和其实际应用的关键就是富勒烯的纯化；试验室常用的富勒烯提纯步骤是：从富含 C60 和 C70 的烟尘中先用甲苯索氏提取 ,然后纸漏斗过滤；蒸发溶剂后 ,剩下的部分〔溶于甲苯的物质 〕用甲苯再溶解，再用氧化铝和活性碳混合的柱色谱粗提纯，第一个流出组分是紫色的 C60 溶液，其次个是红褐色的 C70，此时粗分得到的 C60 或 C70纯度不高，仍需要用高效液相色谱〔纯度高，设备昂贵，别离量小〕来精分；Nagata 创造了一项富勒烯的公斤级纯化技术； 该方法通过添加二氮杂二环到 C60, C70 等同系物的 1、2、3-三甲基苯溶液中； DBU 只会和 C70 以及更高级的同系物反应，并通过过滤别离反应产物，而富勒烯 C60 与 DBU不反应，因此最终得到 C60 的纯洁物； 其它的胺化合物，如 DABCO，不具备这种挑选性；C60 可以与环糊精以 1:2 的比例形成协作物，而 C70 就不行，一种别离富勒烯的方法就是基于这个原理，通过 S-S 桥固定环糊精到金颗粒胶体，这种水溶性的金 / 环糊精的复合物[Au/CD]很稳固,与不水溶的烟灰在水中回流几天可以挑选性地提取 C60，而 C70 组分可以通过简洁的过滤得到；将 C60 从[Au/CD] 复合物中别离是通过向环糊精水溶液加入对环糊精内腔具有高亲和力的金刚烷醇使得 C60 与[Au/CD] 复合物别离而实现 C60 的提纯，别离后通过向 [Au/CD/ADA]的复合物中添加乙醇，再蒸馏，实现试剂的循环利用；50 毫克[Au/CD]可以提取 5 毫克富勒烯 C60；后两种方法都只停留在试验室阶段，并不常用；Coustel重结晶法 Coustel等利用 C60 和 C70 在甲苯溶液中溶解度的不同，通过简洁的重结晶法得到纯度为 95-99％的 C60 ；本方法第一次重结晶得到 C60 的纯度约为 95％，通过二次重结晶得到的 C60 ，纯度到达 98％ -99％； Prakash法 由于 C70 等高富勒烯对AlCl3 的亲和力大于 C60 ，据此， Prakash将 C60 与 C70 的混合物溶入 CS2 中，加入适量欢迎下载精品学习资源AlCl3 ，由于 C70 等高富勒烯与 AlCl3 形成络合物，因而从溶液中析出， C60 仍留在溶液中，如加入少量水，可有利于 C60 的纯化别离，此法别离出的 C60 纯度可到达99．9％ .Atwood 法 用环芳烃 〔n=8〕来处理含 C60 ／ C70 混合物的甲苯溶液，由于环芳烃对 C60 特殊的识别才能，形成 1:1 包结物结晶，该结晶在氯仿中快速解离，可以得到纯度大于 99.5%的 C60 ，从母液中得到富 C70 的组分富勒烯的种类. 巴基球团簇 ：最小的是 C20 〔二十烷的不饱和衍生物 〕和最常见的 C60；. 碳纳米管 ：特别小的中空管 , 有单壁和多壁之分 ;在电子工业有潜在的应用；. 巨碳管 ：比纳米管大，管壁可制备成不同厚度，在运输大小不同的分子方面有潜在价值；. 聚合物 ：在高温高压下形成的链状、二维或三维聚合物；. 纳米“洋葱” ：多壁碳层包裹在巴基球外部形成球状颗粒，可能用于润滑剂； [26]. 球棒相连二聚体 ：两个巴基球被碳链相连；. 富勒烯环 ；欢迎下载精品学习资源[20]富勒烯〔十二面图 〕[26] 富勒烯 C60〔截断二十面体图 〕C70欢迎下载精品学习资源硼巴基球2007 年科学家们猜测了一种的新的硼巴基球，它用硼取代了碳形成巴基球， B80 的结构是每个原子都形成五或六个键，它比 C60 稳固；其它巴基球另外一种常见的富勒烯是 C70, 72, 76, 84，甚至 100 个碳组成的巴基球也是很简洁得到的；碳纳米芽纳米芽 是通过共价键将富勒烯吸附在碳纳米管形状成纳米“芽”结构；富勒体富勒体 〔Fullerites〕 是富勒烯及其衍生物的固态形状的称呼，中文一般不特殊称呼这个形状；超硬富勒体这个词一般被用来表述使用高压高温得到的富勒体，这种条件下一般的富勒烯固体会形成钻石形式的纳米晶体，它有相当高的机械强度和硬度；内嵌富勒烯内嵌富勒烯是将一些原子嵌入富勒烯碳笼而形成的一类新型内嵌富勒烯，如氢、碳、钪、氮等，大部分是在电弧法制造富勒烯的过程中形成的，也可以通过化学方法将富勒烯打开孔后装入一些原子或分子；主条目：金属富勒烯结构在数学上，富勒烯的结构都是以五边形和六边形面组成的凸多面体；最小的富勒烯是 C20，有正十二面体的构造；没有 22 个顶点的富勒烯，之后都存在 C2n 的富勒烯， n=12、13、14......临时有 1812 种富勒烯；全部富勒烯结构的五边形个数为 12 个，六边形个数为 n-10；C60 的分子结构为球形 32 面体，它是由 60 个碳原子通过 20 个六元环和 12 个五元环欢迎下载精品学习资源连接而成的具有 30 个碳碳双键的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯；C60 是高度的 Ih 对称，高度的离域大 π共轭，但不是超芳香体系，他的核磁共振碳谱只有一条谱线，但是它的双键是有两种，它有 30 个六元环与六元环交界的键，叫[6,6]键， 60 个五元环与六元环交界的键，叫 [5,6]键；[6,6] 键相对[5,6]键较短,C60 的 X 射线单晶衍射数据说明， [6,6]键长是 135.5 皮米， [5,6]长键是 146.7 皮米，因此 [6,6]有更多双键的性质，也更简洁被加成，加成产物也更稳固，而且六元环常常被看作是苯环，五元环被看作是环戊二烯或五元轴烯；C60 及其相关 C70 两者都满意这种所谓的孤立五角规章 〔IPR〕；而 C84 的异构体中有 24 个满意孤立五角规章的，而其它的 51568 个异构体就不满意孤立五角规章 ,这 51568 为非五角孤立异构体，而不满意孤立五角规章的富勒烯迄今为止只有几种富勒烯被别离得到，比方分子中两个五边形融合在顶尖的一个蛋形笼状内嵌金属富勒烯 Tb3NaC84；或具有球外化学修饰而稳固的富勒烯如 C50Cl10，以及 C60H8；理论运算说明 C60 的最低未占据轨道 〔LUMO〕轨道是一个三重简并轨道，因此它可以得到至少六个电子，常规的循环伏安和差示脉冲伏安法检测只能得到 4 个复原电势，而在真空条件下使用乙腈和甲苯的 1:5 的混合溶剂可以得到六个复原电势的谱图；C70理论运算说明 C70 的 LUMO 轨道是一个二重简并轨道，不过它的 LUMO+1轨道与LUMO 轨道的能级差很小，因此它可以得到至少六个电子，常规的循环伏安和差示脉冲伏安法检测只能得到 4 个复原电势，而在真空条件下使用乙腈和甲苯的 1：5 的混合溶剂可以得到六个复原电势的谱图；低对称性富勒烯低对称性富勒烯的键长是不一样的，虽然也是离域 π键，从核磁共振碳谱可以清晰看出来有许多条碳信号；欢迎下载精品学习资源手性一些富勒烯是 D2 对称性的，因此他们是有固有手性的，如 C76、C78、C80 和 C84 等，科学家始终致力于进展特殊的传感器来识别和别离他们的对映异构体；性质-3 -1物理性质物化性质C60 的密度为 1.65g 燃烧热 : 9.08kcal·mol折射率: 2.2〔600nm〕 沸点: 800K升华六方晶系 蒸汽压：室温 5×10-6torr ， 800K 时 8×10-4torr溶解性富勒烯在大部分溶剂中溶得很差，通常用芳香性溶剂如甲苯、氯苯或非芳香性溶剂二硫化碳溶解；纯富勒烯的溶液通常是紫色，浓度大就是紫红色， C70 的溶液比 C60 的略微红一些，由于其它在 500nm 处有吸取；其它的富勒烯如 C76、C80 等就有不同的紫色；富勒烯是迄今发觉的唯独在室温下溶于常规溶剂的碳的同素异性体；有些富勒烯是不行溶的，由于他们的基态与激发态的带宽很窄，如 C28，C36 和 C50；C72 也是几乎不溶的，但是 C72 的内嵌富勒烯，如 La2@C72 是可溶的，这是由于金属元 素与富勒烯的相互作用；早期的科学科学家对于没有发觉 C72 很是疑问，但是却有 C72 的内嵌富勒烯；窄带宽的富勒烯活性很高，常常与其它富勒烯结合；化学修饰后的富勒烯衍生物的溶解性增强许多，如 PC61BM 室温下在氯苯中的溶解度是50mg/mL； C60 和 C70 在一些溶剂的溶解度列于左表，这里的溶解度通常是饱和浓度的估算值；导电性欢迎下载精品学习资源超导C60 固体超导性的 BCS理论认为，超导转变温度随着晶胞体积的增加而上升，由于C60 分子间的间隔与费米能级 N〔 εF〕的态密度的上升相关，因此科学家们做了大量的工作试图增加富勒烯分子间的距离，特殊是将中性分子插入 A3C60 晶格中来增加间距同时保持 C60 的价态不变；不过，这种氨化技术意外地得到了新颖的富勒烯插入复合物的特殊的性质： Mott -Hubbard 转变以及 C60 分子的取向 / 轨道有序和磁结构的关系； C60 固体是由弱相互作用力组成的，因此是分子固体，并且保留了分子的性质；一个自由的 C60 分子的分立能级在固体中只是很弱的弥散，导致固体中非重叠的带间隙很窄，只有 0.5eV；未掺杂的 C60 固体， 5 倍 hu 带是其 HOMO 能级， 3 倍的 t1u 带是其空的 LUMO 能级，这个系统是带禁阻的；但是当 C60 固体被金属原子掺杂时，金属原子会给 t1u 带电子或是 3 倍的 t 1g 带的部分电子占据有时会出现金属性质；虽然它的t 1u 带是部分占据的，依据 BCS理论 A4C60 的 t 1u 带是部分占据的应当有金属性质，但是它是一个绝缘体 ，这个冲突可能用 Jahn-Teller 效应来说明，高对称分子的自发。