富勒碳结构和性能

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1、纳米材料课程论文：富勒碳的结构和性能任课老师：贾志杰索引引言………………………………………………p.g.2关键词…………………………………………..p.g.2富勒烯的制备…………………………………..p.g.3富勒烯的性质…………………………….…..p.g.4C60的结构与用途…………………………………..p.g.6碳纳米管的结构与用途………………….…..p.g.6参考文献………..............……..……..p.g.7物理学院2009213658易阳引言富勒烯（Fullerene）是一种完全由碳组成的分子，中空，形状呈球型、椭球型、柱型

2、或管状。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。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个五元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子。另外一种常见的富勒烯是C70，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，72、76、84甚至100个碳组成的巴基球也是很容易得到的。碳纳米管是中空富勒烯管。这些碳管通常只有几个纳米宽，但是他们的长度可以达到1微米甚至1毫米。关键词富勒烯足球烯C60碳纳米管富勒烯（Fullerene）

3、是一种完全由碳组成的分子，中空，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音译为巴基球，台湾称之为球碳，偶尔也称其为芙等；管状的叫做碳纳米管或巴基管。富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环。富勒烯有以下分类：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：非常小的中空管，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，在运送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

4、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；球棒相连二聚体：两个巴基球被碳链相连；富勒烯环。富勒烯的制备方法主要有以下几种：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铢、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，在惰性气氛下小碳分子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳定的C60及高炭富勒烯分子，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。

5、电弧法非常耗电、成本高，是实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、气体比例等可以控制C60与C70的比例，这是工业中生产富勒烯的主要方法。提纯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，即烟灰中通常是以C60为主，C70为辅的混合物，还有一些同系物。决定富勒烯的价格和其实际应用的关键就是富勒烯的纯化。实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

6、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，第二个是红褐色的C70，此时粗分得到的C60或C70纯度不高，还需要用高效液相色谱来精分。富勒烯的公斤级纯化是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，并通过过滤分离反应产物，而富勒烯C60与DBU不反应，因此最后得到C60的纯净物；其他的胺化合物，如DABCO，不具备这种选择性。C60可以与环糊精以1:2的比例形成配合物，而C70则不行，一种分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

7、水溶性的金/环糊精的复合物[Au/CD]很稳定，与不水溶的烟灰在水中回流几天可以选择性地提取C60，而C70组分可以通过简单的过滤得到。将C60从[Au/CD]复合物中分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]复合物分离而实现C60的提纯，分离后通过向[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实验室阶段，并不常用。热力学性质差示扫描量热法（DSC）表明C60在256K时发生相变，熵为27.3J.K−1.mol−1

8、，归因于其玻璃形态-晶体转变，这是典型的导向无序的转变。相似地，C70在275K