《非經典富勒烯及其衍生物的結構和穩定化機制研究》是依託西南大學，由甘利華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：非經典富勒烯及其衍生物的結構和穩定化機制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：甘利華
- 依託單位：西南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
對非經典富勒烯及其衍生物的研究是富勒烯科學研究的新階段，因結構的極端多樣性，所面臨的重大挑戰之一是揭示它們的結構、性質和穩定化機制。以解決這一難題為目標，在前期工作的基礎上，將非經典富勒烯異構體的幾何結構和電子結構參數與各個異構體的結合能關聯起來，求解矩陣方程，獲得快速篩選優勢異構體的普適性模型；探究富勒烯衍生物中sp3雜化碳原子的鍵角扭曲度和sp2雜化碳原子的分布模式與相應異構體的相對能量的關係，獲得富勒烯衍生物及非經典富勒烯衍生物的預測模型；通過改變氫源和氯源，利用直流電弧放電法高產率地合成非經典富勒烯衍生物。結合理論研究和實驗研究結果，揭示非經典富勒烯及其衍生物的結構、性質和穩定化機制，提升研究人員對碳元素成鍵特性的認識；建立非經典富勒烯及其衍生物的常規化合成與結構鑑定的新方法，為這類物質的深入研究和套用奠定基礎。本項目不但能促進富勒烯科學的發展，還能促進BN等非金屬團簇材料的研究。
結題摘要
非經典富勒烯及其衍生物是富勒烯科學發展的新階段，也是與無機非金屬材料科學融合的結合點。在國家自然科學基金的資助下，緊密圍繞非經典富勒烯科學中存在的基本科學問題，開展了系統而深入的研究。主要成果如下： 1. 金屬硫化物富勒烯的結構和性質 通過密度泛函理論方法，系統研究了富勒烯C68、C74、C80、C86和C90的所有經典異構體，得到各種價態的有利異構體，並對相應的金屬硫化物富勒烯Sc2S@C68、Sc2S@74、Sc2S@C80、Sc2S@86和Sc2S@C90進行了密度泛函水平的幾何最佳化和頻率計算。研究結果揭示了電荷轉移作用和尺寸效應在金屬硫化物富勒烯中發揮了決定性的作用。這些研究提供了一種系統而有效的篩選金屬富勒烯優勢結構的思路和方法，能夠助推金屬富勒烯的結構測定。 2. 非經典富勒烯和非經典三金屬氮化物富勒烯 非經典富勒烯的結構構造是進行系統研究的前提和基礎，為此，我們拓展了螺旋算法，開發出能夠生成含有一個七元環或四元環的非經典富勒烯結構的新程式。在此程式的幫助下，採用密度泛函理論，系統研究了非經典富勒烯和三金屬氮化物富勒烯的結構和性質。 （1）發現含有四元環或七元環的非經典富勒烯C58和C62與相應的經典富勒烯在穩定性上是可比的且C58、C60和C62的優勢異構體在結構上是可以相互轉化的。這些研究部分揭示了富勒烯的形成機理。 （2）發現含有七元環的非經典富勒烯可作為金屬富勒烯各個穩定結構之間的轉化橋樑，能量上有利的三金屬氮化物富勒烯之間存在緊密的關係網。這些研究部分揭示了三金屬氮化物富勒烯的形成機理。 3. 金屬硫化物富勒烯的形成機理 在我們拓展的螺旋算法的基礎上，系統研究了C68-C84的金屬硫化物富勒烯。結果顯示：金屬硫化物富勒烯中，電荷轉移作用是基礎的作用；同時，內嵌團簇的尺寸和碳籠的形狀和大小也是決定金屬硫化富勒烯的結構和性質的關鍵因素。計算結果完美呈現了實驗結果並揭示了金屬硫化物富勒烯的優勢結構之間可通過Stone-Wales旋轉實現異構化，而通過C2單元的直接增減可得到其他金屬富勒烯的優勢結構。 這些發現揭示了富勒烯和金屬富勒烯的形成機理，並有助於未知金屬富勒烯的結構測定與性能表征。 另外，在鋰離子電池材料的合成和性能表征上也做了一些研究。
