功能碳納米材料穩定性及化學反應性的理論研究

《功能碳納米材料穩定性及化學反應性的理論研究》是依託西安交通大學，由鄭紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：功能碳納米材料穩定性及化學反應性的理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄭紅
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

本項目以富勒烯及碳納米管等碳納米材料體系為研究對象，針對其穩定性及化學反應特性展開深入理論研究：首先，研究大尺寸富勒烯金屬包合物M2C102~M2C106的熱力學穩定性與電子特性，闡明鑭系原子與富勒烯碳籠的相互作用形態，揭示富勒烯包合物穩定性與分子構型之間的關係以及富勒烯的尺度效應；第二，通過探索純碳富勒烯與富勒烯金屬包合物的化學反應性，闡釋空籠富勒烯與金屬內包富勒烯在環加成反應及過渡金屬加成反應中的機理差異，明確富勒烯金屬包合物隨外接修飾基團變化的規律；第三，模擬碳納米管的氧化切割反應機理，闡明碳納米管氧化反應機理隨尺寸、構型以及反應位點等因素的變化規律；第四，研究單壁碳納米管反應性，揭示不同因素特別是內嵌金屬對碳納米管加成反應的影響。本項目研究成果將深化功能碳納米材料的理論認識、填補理論研究空白，並對推動富勒烯及碳納米管的功能化研究及開發新型分子器件等具有重要的理論指導意義。

結題摘要

以sp2雜化碳原子鍵合形成的功能碳納米材料包括富勒烯、石墨烯和碳納米管等具有獨特優良的物理和化學性質，並在諸多領域潛藏著巨大的套用前景。其中，富勒烯因其獨特的零維結構可內嵌和外接各種金屬或有機官能團，形成具有獨特性質的功能材料，具有廣泛的套用價值。其他形態的sp2雜化碳結構如石墨烯、碳納米環等可與各種碳材料形成複合結構，呈現出特殊的物理化學性質。本項目利用量子化學方法，針對包括純碳富勒烯、富勒烯外接衍生物、富勒烯金屬包合物、以及功能碳納米材料複合體系等，圍繞其化學反應機理、熱力學穩定性、以及電子特性等展開理論研究。 自2016至2018年，本項目研究主要包含三方面工作： 1. 富勒烯化學反應性理論研究； 2. 中等及大尺寸富勒烯金屬包合物體系的研究； 3. 對特殊功能碳納米材料複合體系的理論研究。 首先，在富勒烯與有機金屬反應方面，已完成C60富勒烯以及陽離子內包富勒烯與多種有機金屬的二聚體的加成反應，積累了反應機理重要數據，發現內嵌陽離子對此類化學反應的改善作用。對富勒烯氯化物C50Cl10的腈化水解反應，已經模擬出反應機理的重要步驟，預測了富勒烯有機酸生成超分子體系的結構。對於C50Cl10的氧化反應，發現了該反應的區域選擇性以及主要影響因素。第二，對富勒烯金屬包合物體系的研究涵蓋了C74~C106的多種金屬包合物結構，分析總結了不同富勒烯結構及不同內嵌金屬對穩定性的影響，特別是精確描繪了高溫區域2000~3000K下的穩定性變化趨勢，闡明不同的內嵌金屬基團與不同尺寸碳籠之間的多種相互作用形態。第三，對功能碳納米材料複合體系的研究包括石墨烷@石墨烯結構和富勒烯@碳納米環結構，研究揭示了石墨烷與石墨烯之間的van der Waals相互作用機制，闡釋了富勒烯與特殊碳納米環非共價相互作用的原理與影響因素。 研究果對於深化碳納米材料的理論研究、解釋實驗現象並揭示其化學反應的本質及規律、調節功能碳納米材料物理化學性質、進一步推動碳納米材料功能化研究、開發新型分子器件等具有重要的理論指導意義。