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【材料】富勒烯和碳纳米管的“连接点”——富勒管

时间:2020-09-04

        本文转载自:X一MOL资讯       

      碳纳米管是否属于富勒烯?近日,厦门大学谢素原教授团队及其合作者Purdue University Fort WayneSteven Stevenson教授团队合成并分离和表征了一系列介于富勒烯和碳纳米管之间的胶囊状全碳结构分子并命名为“富勒管(Fullertube)”。

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      在过去的三十多年,sp2杂化的碳材料一直是科技研究的热点。不同形式的碳团簇结构的发现犹如一扇扇被打开的材料宝库之门,从0维球状富勒烯分子,再到1维柱状碳纳米管、2维平面的石墨烯以及3维的碳纳米锥,碳材料在让人惊讶于它漂亮结构的同时,也为它优越的性能赞叹不已。然而,不同维度的碳材料特性也存有较大的差异,比如电子性能、带隙宽度等。因此,在如何综合各种优越性能方面,介于各种碳材料中间的 “桥梁”分子体系倍受关注,比如结构精确的石墨烯碎片、富勒烯碎片和碳锥子等。


      富勒管可被认为是由前后两个“半富勒烯”的端帽和中间全六元环的碳纳米管组成的全碳分子,是富勒烯和碳纳米管的“连接点”。尽管每个端帽结构都含有6个五元环,但不同的端帽结构生长成管所需的六元环化的碳原子数是不同的,富勒管的系列也因此不胜枚举。

      厦门大学和Purdue University Fort Wayne的团队通过化学富集和高效液相色谱两个步骤从电弧反应得到的碳灰中分离出了纯的富勒管,再与“富勒手”形成共晶,通过X射线衍射分析表征了富勒管精确的分子结构。(注:“富勒手”是一个在碗烯“掌心”的基础上往外连接十个吡咯环作为“手指”的分子,具有非常好的捕抓性能,能与多种富勒烯及其衍生物形成超分子共晶从而获得晶体结构。详见Nat. Commun, 2019, 10, 485)
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      文章中列举了最具代表性也是最小半径的C30+30+10n富勒管系列中的C90-D5h(1)和C100-D5d(1)以及C30+30+18n富勒管系列中的C96-D3d(1)。其中,C100-D5d(1)富勒管是首次以空心结构的形式被单晶X射线衍射表征的。在2010和2012年,刘子阳、杨华与Alan Balch等合作就用多步高效液相色谱法分离得到并表征过C90-D5h(1)和C96-D3d(1),后来Sergey Troyanov通过氯化途径也表征过C90-D5h(1)和C100-D5d(1)的氯化物,但直到现在,才找到适于宏量分离这系列富勒管的化学方法。同时,文章还通过质谱表征了其它两个系列的富勒管产物,比如C108、C120、C132和 C156等。这些有序的富勒管都等待进一步分离和研究,相信这类由碳元素组成、介于富勒烯和碳纳米管之间的胶囊状全碳分子在未来会有更重要的发展潜力。


     这一工作近期发表于Journal of the American Chemical Society 上。参与研究有Purdue University Fort WayneRyan M. Koenig, Tiffany L. Seeler, Katelyn R. TepperHannah M. Franklin,共同完成这项研究的厦门大学团队成员包括博士后田寒蕊和博士生陈佐长


谢素原教授简介
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      谢素原,厦门大学教授,博士生导师。于2005年获得国家杰出青年科学基金资助,2007年入选百千万人才国家级人选,2009年被聘为教育部长江学者,2006和2015年两次获得国家自然科学二等奖(分别为第三和第一完成人)。
      主要研究领域:特殊结构富勒烯的合成、性质及其在太阳能电池、催化中的应用,碳簇材料的结构和形成机理,高效液相色谱和表面质谱分析,碳基纳米团簇材料(纳米管、石墨烯等)的合成及其功能化。在相关领域的研究成果曾发表于Science, Sci. Adv., Nat. Chem., Nat. Mater., Nat. Nanotech., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等知名期刊,并著有科学出版社关于富勒烯的专业图书 ——《富勒烯:从基础到应用》。
https://www.x-mol.com/university/faculty/14041