单金属富勒烯的合成与应用研究

Endohedral metallofullerenes are important functional nanomaterials with high stability and novel electronic properties.This proposal will focus on the syntheses and applications of mono-metallic endohedral fullerenes based on our previous profound research backgrounds on fullerenes and metallofullerenes.Comparing with other types of endohedral metallofullerenes such as dimetallic endohedral fullerenes and cluster endohedral metallofullerenes etc., the mono-metallic endohedral fullerenes ususally own high yield and simplicity in structures, so we may easily explore the formation mechanism of endohedral fullerenes through adjusting experimental conditions such as the helium pressure, temperature, the metal to carbon ratio, as well as different catalysts etc.. Through combining with theoretical calculations, we hope to selectively improve the yield of endohedral metallofullerenes. Moreover, we will explore the chemical modifications of some typical mono-metallic endohedral fullerenes such as Sc@C82 and Gd@C82, and make applications of them in solar cells, MRI contrast agents, and molecular gyroscope etc.. With the execution of this project it is expected to achieve world level in the macroscopic preparation of metallofullerenes, and obtain 2-5 novel metallofullerene functional materials for applications using in organic solar cells, MRI contrast agents etc..

内嵌金属富勒烯分子具有稳定的结构和新奇的电子特性，是一类重要的多功能分子材料。本项目结合本研究组在富勒烯和内嵌金属富勒烯研究方面的优势，将研究重点放在单金属内嵌富勒烯分子功能材料的制备与应用的基础科学问题上。对比其它金属富勒烯，单金属内嵌富勒烯具有结构简单、产率高等优点，我们拟通过系统地改变金属富勒烯生产的实验条件如氦气压力、温度、金属/碳比例，以及催化剂组合等，结合有关金属富勒烯形成和结构相关的理论研究，探索单金属内嵌富勒烯的形成机理，选择性地提高单金属富勒烯的产率。进一步针对Sc@C82,Gd@C82等典型单金属内嵌富勒烯，探索其化学修饰方法，研究其在有机太阳能电池、核磁共振造影剂，及分子陀螺等方面的应用。预期通过本项目的实施，带动富勒烯类纳米材料制备达到国际先进水平，并得到2-5种可应用于有机太阳能电池和磁共振造影剂的高效富勒烯类功能分子材料

随着富勒烯应用需求的增加，对于金属富勒烯材料的原料需求也在迅速扩大。因此，研究如何大幅度提高单金属富勒烯的产率，降低生产成本，最终实现大规模合成单金属富勒烯，是一个挑战性的课题，关乎这一新材料应用的成败。本项目结合国家需求和本课题组的研究优势，在单金属内嵌富勒烯分子材料的形成机理、功能化处理，以及应用研究等几方面进行探索。我们通过系统地改变金属富勒烯生产的实验条件如氦气压力、温度、金属/碳比例，以及催化剂组合等，结合有关金属富勒烯形成的理论研究，探索单金属内嵌富勒烯的形成机理，选择性地提高单金属富勒烯的产率。已经建成了国际上首条年产公斤级金属富勒烯生产线，产量规模与技术水平处于国际领先地位。同时，系统的利用密度泛函理论计算以及统计热力学和拓扑分析表明，在放电条件下这些金属簇富勒烯之间可能存在结构演变，并部分揭示了其形成机制。进一步针对内嵌金属富勒烯Gd@C82，探索其化学修饰方法，制备不同类型的水溶性衍生物，研究其在有机太阳能电池、核磁共振造影剂、肿瘤治疗，及分子陀螺等方面的应用。通过本项目的实施，带动了富勒烯类纳米材料制备达到国际先进水平，全面提升了我国在内嵌金属富勒烯分子功能材料研究方面的国际地位。