富勒烯C60

富勒烯（Fullerene），是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。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。根据碳原子的总数不同，富勒烯可以分为C₂₀、C₆₀、C₇₀、C₇₆、C₈₀等，其中C₆₀高度对称的笼状结构使其具有较高的稳定性，因此在富勒烯家族中研究最为广泛。富勒烯C60是由12个五元环和20个六元环纯碳原子组成的中空笼状烯烃结构，其形状与1967年加拿大蒙特利尔世博会巴克敏斯特·富勒建造的美国馆非常相似，因此科学家将其名字命名为富勒烯。 

富勒烯具有特殊的光电性质，因此在光电领域应用广泛。纯粹的富勒烯是黑色的粉末，是不溶于水的；富勒烯是被合规收录的化妆品原料，安全性和功效性都有验证。富勒烯中的“烯”是指C=C键（碳碳双键），富勒烯属于不饱和环烯烃非极性分子，因此纯粹的富勒烯碳粉是不溶于水的，一般借用药物制剂增溶技术实现其溶解性。 1985年Robert Curl，Richard E. Smalley和Harold Kroto在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即“C60分子”或“富勒烯”，这一突破性的发现为他们赢得了 1996 年诺贝尔化学奖。因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为“巴克明斯特·富勒烯”。而在此之前，富勒烯一度被认为只在宇宙中天然存在。 富勒烯C60分子内外表面有60个π 电子，组成三维π电子共轭 体系，最多吸收6个电子， 具有很高的电子亲和势及较 好的电子传输性能，是一类性 能比较优异得到受体材料。但 未修饰的C60刚性较大，溶解 性差，易聚集，给受体成膜的 质量较差。 富勒烯及其衍生物作为受 体同时存在很大的缺陷，如吸光 弱、成本高、能带调控能力差、 热稳定性不 足以及机械灵活性低 等。导致其在光伏材料中应用受限。

图2为碳同素异形体。a,b, C60富勒烯，由60个碳原子组成的零维分子笼(a)，以及由单层原子组成的石墨烯(b)；c，石墨烯，由共价连接的C60富勒烯超原子构件组装而成的碳分子片。
富勒烯C60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，因它酷似足球，所以富勒烯也被称为足球烯。
🔵截角二十面体（Ih 对称）
60 个碳原子，12 个五元环 + 20 个六元环
C–C 键长：六元环-六元环 1.40 Å；五元环-六元环 1.46 Å
π-电子离域，但非芳香性（局部烯烃特征）
🔵晶体
室温面心立方 (fcc) 晶格，a = 14.17 Å
低温出现取向有序相变
🔵能级
• HOMO–LUMO 间隙 ≈ 1.8 eV（甲苯溶液）
• 易接受 1–6 个电子形成 C₆₀ⁿ⁻ 光伏材料
富勒烯因其具有良好的电子传输性能，可以作为有机太阳能电池中的受体材料，但由于其空心结构，在有机溶剂中溶解性较差，因此主要研究在富勒烯侧链链接官能团以提高其溶解性，改变其加工性能降低应用门槛。大量富勒烯衍生物相被设计合成出来，并且展现了良好的电子受体性质，其中最典型的和最常用的当属PC61BM和PC71BM等。
富勒烯（C60）是一种由碳原子组成的笼状分子，因其优异的电子传输性能被广泛应用于反式钙钛矿太阳能电池（PSCs）的电子传输层（ETL）。与传统的金属氧化物ETL材料（如TiO₂或SnO₂）相比，富勒烯具有低温加工兼容性、高电子迁移率以及良好的能级匹配等优势，可提升器件的光电转换效率。然而，富勒烯的分子特性导致其与相邻层之间的界面结合较弱，容易引发界面电子传输损失和机械稳定性问题，从而影响器件的长期运行稳定性，这一直是制约高效稳定PSCs发展的关键挑战。 

化妆品行业
水溶性富勒烯富勒烯表现出氧化性能，并能产生各种活性氧形式。富勒烯是一种强大的光敏剂，它能够将三重态氧转化为活性单线态氧。具有抗皱、美白、抗炎、修复等功效，对人体无明显损伤。

富勒烯最出名的护肤功能是清除自由基抗氧化（富勒烯是由60个碳原子组成的足球形状，一个这样的结构中就有30个双键，这样的结构天生就有比较强的抗氧化、抵抗自由基的能力。），其清除自由基的机理跟维生素C等（维C通常是以“牺牲自我，成全别人”的方式来减少自由基）是不一样的，富勒烯对自由基有强大的吸附功能，当吸附数量达到偶数后，富勒烯表面的自由基相互耦合而淬灭，富勒烯则又回到未吸附前的状态，其生物活性并未降低。 工业制备 
• 电弧法：石墨棒 4000 °C 蒸发 → 烟灰 → 甲苯萃取 → 色谱分离 
• 燃烧法：甲烷/氧气扩散火焰 → C₆₀ 产率 10 % 
• 绿色连续法：微波等离子体，产率 > 30 % [1] SHERIF ISMAIL, SHOU-QING NI*  Fullerene (C60) Supplementation Stimulated Anammox Granules at Low Doses and Inhibition Occurred at High Doses: Phenomenon and Mechanism[J]. ACS ES&T engineering, 2023, 4 2: 375-387. DOI:10.1021/acsestengg.3c00350.
[2] SHUAI YOU. C60-based ionic salt electron shuttle for high-performance inverted perovskite solar modules[J]. Science, 2025, 388 6750. DOI:10.1126/science.adv4701.
[3] 梁秋菊,常银霞,梁朝伟,祝浩雷,郭子宾,刘剑刚.结晶动力学策略在非富勒烯体系太阳能电池形貌调控领域的应用[J/OL].物理化学学报:1-21[2023-04-20].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1892.O6.20230119.1642.004.html
[4] 赵杨,黄琪,金波,彭汝芳.富勒烯及其衍生物在含能材料领域的应用研究进展[J].火炸药学报,2022,45(06):770-784.DOI:10.14077/j.issn.1007-7812.202208009.
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