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富勒烯的应用

发布日期:2019/9/16 13:51:38

富勒烯是单质碳被发现的第三种同素异形体,是一系列由碳组成的笼形分子,呈凸多面体形状,大多为五边形或六边形面,具有硬度高、延展性强、导电性强、质量较轻的性质。富勒烯分子具有独特的三维拓扑结构以及物理、化学性质,由该类分子构建的材料具有特殊的性能,在电子信息、生命科学、环境治理、航空航天等领域逐渐显示出其独有的应用前景。

应用

富勒烯作为一种新型碳材料,由于独特的笼状结构,已在超导、太阳能电池、催化、光学、高分子材料以及生物等领域表现出优异的性能,具有广阔的发展前景。C60是富勒烯家庭中相对最容易得到、最容易提纯和最廉价的一类,因此C60及其衍生物是被研究和应用最多的富勒烯

应用一:太阳能电池

富勒烯具有优越的氧化还原性、高的电子亲和能,小的重组能,优异的迁移率。而功能化的富勒烯衍生物不仅能够保持富勒烯自身特性,同时也实现了可溶液加工以及物理化学性质的调控。通过在富勒烯上引入不同的官能团,可以进一步调控富勒烯衍生物的溶解性,能级,表面能,及其在固体状态的取向、分子间作用力,以实现富勒烯衍生物的多功能化,使得富勒烯成为在太阳能电池应用中的一种理想的受体材料。如 PCBM、NCBA、ICMA等。此外还可以拓展其在包括光转换器、场效应晶体管等不同领域中的应用。

应用二:电传感器

富勒烯材料修饰的电极所制备的电传感器较传统材料的电传感器,具有可再生、生产工艺简单、可有效增加电极的活性表面积、支持纳米粒子和可与其他材料符合等优点。

应用三:催化剂

富勒烯可以作为一类新的催化剂材料的基础。斯莫利提出可以在富勒烯分子的中心空隙加入一些已知具有催化性能的金属原子,如铂(pt)、钯(pd)等,制成一类新的催化剂,在这种催化剂中,催化性原子被碳笼保护起来。

应用四:润滑体系

C60具有特殊的圆球形状,是所有分子中最圆的分子;另外,C60的结构使其具有特殊的稳定性。在分子水平上,单个C60分子是异常坚硬的,这使得C60富勒烯具有优良的自润滑性,有成为“分子滚珠(轴)”高级润滑剂核心材料的潜力。改善流体润滑体系、固体润滑体系(固体膜、碳基、聚合物基、金属基、陶瓷基润滑体系)摩擦性能,可使体系的摩擦系数减小、磨损率减小、硬度增大,从而优化摩擦性能。

应用五:CVD金刚石薄膜

富勒烯的另一潜在的应用是它们可作为金刚石薄膜生长的均匀成核位置而起重要作用。富勒烯材料的独特性质之一是它们在较低温度下升华,对于C60,其升华点大约是600℃,这使得富勒烯在不规则形状表面上的气体沉积覆盖相对来说很容易实现。

另外,由于富勒烯易溶于像苯和甲苯这样的极性有机分子溶剂,因而可以在室温下将复杂表面直接浸于制备好的溶液中,待溶剂挥发后就留下一层富勒烯分子薄膜。金刚石薄膜在军事方面具有许多应用价值,如作为装甲车表面的抗冲击覆盖层,用于制成光学(X射线,粒子束)窗口,半导体晶片,高硬度表面齿轮,金刚石-纤维合成材料,以及高温和防辐射电子器件等。

应用六:气体储存

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 ”,它不仅能存储氢气,还能存储氧气。更优异的是,高压钢瓶存储气压力是63.9×10 Pa ,而60C存储氧气的压力仅仅是52.3×10 Pa . 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 .

应用七:超导材料

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18K的K3C60。 掺杂C60超导体的发现是超导领域的又一重大成果。这种超导体具有相对较高的临界温度,掺杂C60超导体的临界温度不仅远远高于所有的有机分子超导体,而且也大大高于以前发现的金属和合金超导体,只比炙手可热的氧化物陶瓷超导体低。

富勒烯超导体最大的优点在于这种化合物容易加工成所需要的各种形状;同时由于它们是三维分子超导体,各向同性,使得电流可以在各个方向均等地流动。同时,富勒烯化合物超导体还具有较高的临界磁场和临界电流密度,理论分析和一些实验结果显示,在更大的富勒烯分子掺杂化合物中可能大幅度提高超导临界温度。良好的性质和潜在的高临界温度为富勒烯超导体的应用创造了条件。

应用八: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. 日本科学家Takada 等研究发现,富勒烯C60可以迅速捕捉自由基分子。21世纪以来富勒烯开始被用作化妆品原料,具有抗皱、美白、预防衰老的卓越价值,成为备受瞩目的尖端美容成分。许多高端护肤品品牌含有富勒烯成分。

应用九:药物载体

富勒烯作为碳纳米材料中的重要一员,其特殊的分子结构决定了其拥有更特殊的物理化学性质,其良好的生物相容性、易反应的活性表面及其作为纳米粒子拥有的大比表面积、小尺寸效应使其在生物医学领域被广泛地应用于药物载体研究。

富勒烯作为药物输运载体用于协助抗肿瘤药物在体内的吸收分布有着得天独厚的优势。首先,富勒烯作为碳纳米材料中的一种,为非极性分子,具有亲油性,在生物体内可以直接透过组织细胞膜; 并且和其他纳米材料一样,可以经组装修饰成纳米粒子通过增强的渗透和滞留效应 (Enhanced permeability and retention) 优先积聚在肿瘤组织中。其次,富勒烯碳笼结构使其拥有大的比表面积,在其表面上可以同时接上不同的基团,经过功能改性后不仅可以提高其生物相容性、增强其在生物体内的靶向性、实现其对药物的缓释控释,还可使其作为药物载体拥有更大的负载量。

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  • 2019-09-16   富勒烯的应用