富勒烯C2增長(zhǎng)機(jī)理及Sc2S@C84的理論研究.pdf

1、在過去的30年時(shí)間里，富勒烯以其獨(dú)特的物化性質(zhì)一直是納米材料研究的熱點(diǎn)，近百種富勒烯的表征和分離預(yù)示著富勒烯是一個(gè)龐大的家族，也表明該物種具有無限潛在的應(yīng)用可能性。目前已經(jīng)應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，如光伏設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)、航天航空和光化學(xué)電池等領(lǐng)域。但是，與日俱增的應(yīng)用需求對(duì)富勒烯的產(chǎn)量要求越來越高，這與現(xiàn)在富勒烯產(chǎn)量低劣的現(xiàn)實(shí)相悖，再者是生產(chǎn)成本高，這些剛性缺陷是阻礙其應(yīng)用的最大原因?？梢灶A(yù)見，未來數(shù)年，甚至是數(shù)十年，提高富勒烯產(chǎn)量和產(chǎn)率將成為該

2、學(xué)科最重要的任務(wù)之一。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是弄清富勒烯的形成機(jī)理，以便于合理地優(yōu)化合成方法。本文通過計(jì)算模擬，闡述和證明了富勒烯通過C2增長(zhǎng)的形成機(jī)理的合理性，此外，也對(duì)新合成的物種Sc2S@C84進(jìn)行了理論的表征。具體如下:
　　1)金屬硫化物富勒烯Sc2S@C82的自下而上形成機(jī)理和異構(gòu)化使用了密度泛函理論計(jì)算研究Sc2S@C82的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，繼而通過封閉網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)模型(CNG)研究Sc2S@C82的形成機(jī)理。計(jì)算表明

3、，C2增長(zhǎng)是從Sc2S@C80-D5h(31923)的C2插入然后通過一次Stone-Wales旋轉(zhuǎn)得到，通過動(dòng)力學(xué)模擬可知，增長(zhǎng)的中間體有兩個(gè):Sc2S@C82-Cs(39704)和Sc2S@C82-Cs(39663)，優(yōu)勢(shì)路徑是通過前者;此外，異構(gòu)體Sc2S@C82-Cs(6)與Sc2S@C82-C3v(8)可以相互轉(zhuǎn)化，且是一個(gè)可逆過程。借助碳原子催化可以使整個(gè)反應(yīng)的能壘大大降低，特別是在S-W旋轉(zhuǎn)的過程中。這一工作對(duì)其它富勒烯的

4、形成機(jī)理也可以提供參考。
　　2) Sc2S@C84的理論研究Sc2S@C84一直未得到結(jié)構(gòu)表征。密度泛函理論計(jì)算表明Sc2S@C84與Sc2C2@C84共享同一母籠;此外，有一個(gè)違背IPR規(guī)則的異構(gòu)體Sc2S@C84:51383，在其中能量排序?yàn)榈诙?，但其HOMO-LUMO值是所有異構(gòu)體中最大的，這一結(jié)果表明其較高的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。分析還表明，異構(gòu)體Sc2S@C84:51575在溫度超過2800K時(shí)可以轉(zhuǎn)化為異構(gòu)體Sc2S@C8