富勒烯C60的性能及应用研究进展

黄飞，徐慧敏，黄成相，黄涛，徐雪峰，魏先文

（1.黄山学院 化学化工学院，安徽 黄山 245041；2.安徽师范大学 功能性分子固体材料教育部重点实验室，安徽 芜湖 241000）

富勒烯C60的性能及应用研究进展

黄飞1，徐慧敏1，黄成相1，黄涛1，徐雪峰1，魏先文2

（1.黄山学院 化学化工学院，安徽 黄山 245041；2.安徽师范大学 功能性分子固体材料教育部重点实验室，安徽 芜湖 241000）

富勒烯C60材料具有较好的稳定性、催化性能、超导性、生物相容性、抗氧化性，在不同领域中有较为广泛的应用前景. 本文综述了富勒烯C60材料的物理、化学性能，以及它在光学、电学、催化和生物医药等方面的应用研究，并展望了富勒烯C60材料的发展趋势和前景.

富勒烯C60；有机太阳能电池；超导材料

自被发现以来，富勒烯C60因独特的物理、化学性质引起了科学界的普遍关注. C60是一种内部通过原子组成的分子，类似足球的形状，又称作足球烯；该分子比较稳定，拥有60个顶点、32个面，其中有12个正五边形面和20个正六边形面[1]. C60不仅拥有金属光泽，还具有特殊的光学性质、较强的抗化学腐蚀性、耐高压性和磁性等优异的性能，在光、电、磁等领域有广阔的应用空间. 科研工作者正对C60分子的结构、性质以及化学反应进行深入的研究，同时对其催化性能、超导性能、生物相容性、抗氧化性等方面的应用也进行了大量研究. 本文主要综述富勒烯C60的物理、化学性能以及其在各个领域的最新研究进展，并展望其的应用趋势和前景.

1 C60的物理、化学性能

1.1 磁性

以C60有机铁磁体取代价格较高的金属磁铁，对研究有机磁性记忆材料具有极其重要的实际意义和应用价值. Allemand等[2]把C60充分溶解在甲苯溶液中，再将强给电子有机化合物4-二甲氨基乙烯加入到混合溶液中，有黑色微晶沉淀产生，测定其磁性发现，它是一种不含任何磁性金属的软铁磁性材料. 姜宗福等[3]运用原子轨道线性组合理论推导出了外磁场中分子轨道的能量，得到的相关公式可以用来计算富勒烯C60的电子磁化率. Pasquarelle等[4]认为C60球体中磁性整体呈中性，原因是C60分子中含有强顺磁性五元环和缓和介磁性六元环（该结论已经被理论计算和实验证实）.

1.2 光化学反应活性

富勒烯C60较强的光化学反应活性与C60在水相中的形态、光照条件、共存物质、衍生基团的数量与类别等因素有密切联系[5]. C60易于和自然水体环境发生化学反应，天然有机物、表面活性剂等物质可以改变nC60团聚的物质状态，一些环境污染物通过与nC60化合而产生了更大的环境危害. 因此对C60的光化学反应活性以及其对环境的影响进行研究，可以有效控制水域环境的污染、深化扩展富勒烯C60材料的应用.

1.3 荧光性能

光善仪等[6]以六氯化钨和四苯基锡为催化剂，在无水无氧条件下制备了C60和苯乙炔共聚物. 研究该共聚物的荧光性能发现，当溶液浓度为0.5 mg· mL-1时产生荧光猝灭效应，当溶液浓度小于0.1mg· mL-1时有较好的荧光性能. 荧光光谱分析发现，共聚物在404 nm处出现一个新的荧光发射峰，该峰的产生可能因聚合物中含C60的结构光激发所致. 荧光机制的分析表明，共聚物中的C60起到了能量陷阱作用，它能对聚苯乙炔的荧光产生猝灭效应.

1.4 非线性光学性能

实验研究表明，富勒烯C60衍生物引入的功能基团破坏了C60的对称性，使其偶极矩变大、体系电荷转移趋势增强、共轭体系变大、非线性光学性能增强[7]. C60分子因为具有三维π电子共轭体系、高稳定性和三阶非线性光学性能，它在光记忆、光计算和光信号接收与控制等方面有广泛应用和发展. 同时，富勒烯C60非线性光学材料在高尖端特殊军事武器和国防导弹防护系统上也有应用.

1.5 润滑性能

C60分子内部作用力很强，但分子间的作用力较弱、表面能较低，这些性质决定了C60可以广泛用作固体润滑剂. Nakagwa等[8]在MoS2基体上运用分子束取向生长法得到了超薄C60膜，它是迄今为止摩擦系数最低的高结晶度的超薄C60膜. 英国Sussex大学科研人员运用化学氟化法得到了白色粉末状的“氟隆球（C60F60）”，该物质是一种超耐高温的润滑剂，在超大重型机械中被广泛应用[9]. 李积彬等[10]将C60溶解在二甲苯中，在摩擦磨损试验机上考察了润滑剂的润滑特性随C60添加剂浓度的变化情况，实验结果显示，作为一种润滑油添加剂，C60以吸附膜的形式覆盖在试验钢球表面，能在较高速范围内发挥润滑作用，表现出了良好的润滑性能.

2 C60的应用

2.1 太阳能电池

聚合物/富勒烯太阳能电池（PFSCS）具有以下独特优势：1）生产成本低；2）质量轻，柔韧性好；3）溶解性能优异；4）易于设计、裁剪和合成；5）器件制备工艺简单，易于实现大面积加工等. 目前该太阳能电池光电转换效率已从不到1%提高到了10.6%，具有良好的发展和应用前景[11-12]. PFSCS工作原理见图1，主要是通过光伏效应实现光电转变[9,12]. 当光源照射时，电子给体分子从基态跃迁产生激子，并在电子给体/电子受体（D/A）界面迅速扩散. 转移电子给体和受体在界面处存在一定的LUMO能级差，电子由给体LUMO能级转移到受体LUMO能级，导致激子在界面处发生了电荷分离，形成了自由载流子，正负自由载流子分别转移到阳极和阴极被收集，从而形成光电压和光电流.

图1 聚合物/富勒烯太阳能电池工作原理图

2.2 新型催化剂

自C60被发现以来，化学家们开始研究它是否能够作为催化剂使用. Yu等[13]用钯与C60为原料合成了化合物C60Pdn，实验研究发现，该化合物具有较高的催化活性. Li等[14]以C60和作为催化剂，在室温条件光照一定时间，它们可以将硝基苯催化氢化为苯胺，当C60与物质的量比为2: 1、氢气的压强为1个标准大气压时，其催化氢化效率高达100%，这为富勒烯C60作为性能优异的催化剂开辟了一条崭新道路.

2.3 气体贮存

C60分子的结构比较特别，可以作为比金属及金属合金更加有效的吸氢材料. 目前，中美科学家研究发现了一种新型的具有储存氢气能力的材料“C60+Ca”[15]，它不仅能存储氢气，还能存储氧气. 更优异的是，高压钢瓶存储氧气其压力是3.9×106Pa，而C60存储氧气的压力仅仅是2.3×105Pa.在低压的条件下用C60存储大量的氧气对于军事、医疗甚至商业发展都有巨大的作用.

2.4 超导材料应用

美国科学家贝尔发现了富勒烯的超导性，即在C60中掺杂活泼金属钾后得到了超导临界温度为18 K的K3C60[16]. 科学家相继研究了C60与不同金属的掺杂，促进了超导体的研究. 掺杂C60超导体的发现对能源技术具有突破性的影响，这种超导体拥有良好的性能以及仅次于氧化物陶瓷超导体的临界温度，能在超导计算机电子屏蔽、超导磁选矿技术、长距离电力输送、磁悬浮列车以及超导超级对撞机等更多领域中广泛应用.

2.5 生物医学应用

C60分子与生物系统的相互作用在生物化学领域应用广泛. Sayes等[17]将C60和水溶性C60(OH)24纳米材料悬浮液注入小白鼠肺细胞中，未发现该纳米材料对小白鼠肺细胞有毒性作用或不良反应，这为C60纳米材料作为药物载体提供了实验依据. Toniolo等[18]发现了一种C60-多肽衍生物，该C60衍生物具有较好的水溶性，它对于人类单核白血球趋药性的研究具有重要的作用，同时对抑制HIV-1蛋白酶的活性也具有一定的意义. 黄文栋等[19]通过化学方法得到了水溶性C60-脂质体，实验研究发现，它能够有效杀伤癌细胞，对治疗癌变细胞具有较好的发展前景. Huang等[20]报道了黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶相互作用产生的超氧阴离子自由基能被多羟基C60衍生物吞噬，该多羟基C60衍生物能够清除具有很强破坏能力的羟基自由基. 同时，可利用C60分子的抗辐射特性把放射性元素放到碳笼内注射到癌变细胞，以提高放射治疗的效果、减少化疗的副作用.

2.6 化妆品

富勒烯C60具有清除活性氧自由基、活化皮肤细胞、预防衰老等作用. Mcewen等[21]首次提出了“维他命C60自由基海绵”的概念，富勒烯C60分子对自由基的清除能力能够像海绵一样，吸收力强且容量超大. 美国华盛顿大学Ali等[22]研究发现，富勒烯C60衍生物在医学上的抗自由基作用与超氧歧化酵素（SOD）类似，甚至超过了SOD. 日本科学家Takada等[23]研究发现，富勒烯C60可以迅速捕捉自由基分子，其速度明显大于β-胡萝卜素. 因此，富勒烯C60及其衍生物经过研究和开发，可以添加到日用化妆品中，以达到美白、抗皱、瘦身等效果. 这无疑是一个新的具有无限潜能的发展领域.

除此之外，富勒烯C60在隧道二极管、电泳显示、原子级光开关、光电成像、双层电容器、气体分离、增强金属强度、表面涂层等领域也有广泛应用.

3 结论和展望

富勒烯C60奇异的结构、优异的性能开拓了碳原子新的时代. 随着科研工作者对富勒烯C60研究的逐渐深入，今后富勒烯C60的性能和应用研究将主要集中在以下几方面：

1）研究富勒烯C60在光学反应活性、荧光性能、非线性光学特性、润滑性能、催化性能、超导性、生物相容性、抗氧化性等方面的优异性能，特别是富勒烯C60在有机太阳能电池、催化剂及药物载体、超导材料等方面的应用.

2）通过化学方法合成富勒烯C60的单加成和多加成衍生物，制备不同晶态形貌的富勒烯C60以及其衍生物的不同维度的微纳米材料，探究C60纳米材料形成的生长机理以及其晶态形貌与性能关系，并根据其性能加以应用. 随着研究的不断深入，相信未来富勒烯C60的应用领域更为广阔.

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[责任编辑：熊玉涛]

Progress of Research on Properties of Fullerene [60] and Its Application

HUANG Fei1, XU Hui-min1, HUANG Cheng-xiang1, HUANG Tao1, XU Xue-feng1, WEI Xian-wen2
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Huangshan University, Huangshan 245041, China; 2. The Key Laboratory of Functional Molecular Solids, Ministry of Education, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)

[60] Fullerenes materials have preferable stability, catalysis, superconductivity, biocompatibility, and antioxidation, and have a very broad application prospects in many fields. A comprehensive review of the [60] fullerene materials’ physical and chemical properties and their application research in optics, electronics, catalysis and biomedicine is presented and their application and development trends are proposed.

[60] fullerene; organic solar cells; superconducting materials

O632.14

A

1006-7302（2017）01-0024-05

2016-10-28

国家自然科学基金资助项目（21271006）；安徽省高校自然科学研究项目（KJHS2016B06）；安徽省大学生创新创业训练计划项目（201510375017）．

黄飞（1983—），男，安徽砀山人，助教，硕士，研究方向为有机功能材料的制备及应用；魏先文，安徽省“皖江学者”首批特聘教授，博士生导师，研究方向为碳基功能材料．