富勒烯C60及其衍生物材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

黃 飛，張 哲，楊富功，楊可可，屈飛強(qiáng)

（黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山245041）

自從Kroto 等人[1]發(fā)現(xiàn)富勒烯以來(lái)，富勒烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)引起了科學(xué)界的普遍關(guān)注，富勒烯及富勒烯衍生物已經(jīng)成為國(guó)際上異常活躍的研究領(lǐng)域。目前合成的富勒烯衍生物種類(lèi)繁多，而其中單加成和多加成衍生物的三維立體結(jié)構(gòu)具有重要的應(yīng)用價(jià)值[2,3]，因此合成功能化的富勒烯單加成和多加成衍生物是富勒烯化學(xué)中最前沿的課題之一。在微納米結(jié)構(gòu)材料中引入富勒烯C60及其衍生物可使其物理、化學(xué)性質(zhì)和性能得到較大改善，表現(xiàn)出獨(dú)特的光電學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等性能。因此，發(fā)展富勒烯C60及其衍生物材料在光學(xué)、電學(xué)、催化和生物醫(yī)藥等方面的應(yīng)用研究是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的科研工作。本文主要綜述了近年來(lái)富勒烯C60及其衍生物材料的應(yīng)用最新研究進(jìn)展，并展望了富勒烯C60及其衍生物材料的發(fā)展前景和趨勢(shì)。

1 光電材料應(yīng)用

1.1 富勒烯太陽(yáng)能電池

聚合物/富勒烯太陽(yáng)能電池（PFSCS）較傳統(tǒng)電池而言，具有生產(chǎn)成本低、質(zhì)量較輕、柔性可彎曲和易于實(shí)現(xiàn)大面積加工等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率也逐漸提高，從原來(lái)不到1%提高到了目前的10%以上，具有良好的發(fā)展前景，受到了國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注，并且取得了很大的進(jìn)展[4-9]。PFSCS工作原理與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池不同，其主要是利用光伏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)變，其工作原理如圖1 所示。當(dāng)太陽(yáng)光照射在電池活性層納米材料上時(shí)，光被其吸收并激發(fā)產(chǎn)生激子，產(chǎn)生的激子因其濃度差異而向電子給體/電子受體（D/A） 界面擴(kuò)散。電子給體和受體在界面處存在一定的LUMO 能級(jí)差，導(dǎo)致激子在界面處發(fā)生了電荷分離形成了自由載流子，正載流子被轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極以及負(fù)載流子被轉(zhuǎn)移到陰極，它們?cè)陔姌O上被收集從而形成了光電壓和光電流。

圖1 PFSCS 工作原理示意圖[5]

1.2 非線性光學(xué)性能

C60分子具有三維π 電子共軛體系和高度對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，使得其具有優(yōu)良的反飽和吸收的光限制性和大的三階非線性光學(xué)系數(shù)等非線性光學(xué)性能[10]。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)C60反飽和吸收的光學(xué)限制性制造光學(xué)限幅器，用來(lái)保護(hù)探測(cè)器和人的眼睛；根據(jù)C60離域大π 電子共軛體系、較大的三階非線性光學(xué)系數(shù)和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用在光計(jì)算、光記憶和光信號(hào)處理及控制等方面。目前，富勒烯非線性光學(xué)材料在軍事上的應(yīng)用尤為突出，隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，一系列激光武器也在不斷的被研發(fā)出來(lái)，如激光致盲、激光竊聽(tīng)、激光制導(dǎo)導(dǎo)彈等。

1.3 光電轉(zhuǎn)換性能

薛鵬沖等人[11]利用有機(jī)凝膠和C60COOH 相互混合組裝成納米纖維，Kentaro Tashiro 等人[12]利用溶劑揮發(fā)法和自組裝法制備了卟啉-C60衍生物納米線，Samson A.Jenekhe 等人[13,14]利用自組裝法制備的P3BT-nw/C61-PCBM 和P3BT-nw/C71-PCBM 納米線，這些C60衍生物納米材料在光照射下，電流和電壓都逐漸升高，均具有較好的光電轉(zhuǎn)換性能。Richard Charvet 等人[15]利用自組裝法制備的卟啉-C60衍生物的聚合物納米線，具有較好的熒光性能和光電轉(zhuǎn)換性能。同時(shí)，這些C60衍生物納米材料具有較高熱穩(wěn)定性和較好的延展性，是很有發(fā)展前景的新型光電轉(zhuǎn)換材料。

2 催化性能應(yīng)用

催化劑在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中應(yīng)用非常廣泛，最近研究表明，C60分子和其負(fù)離子在紫外光的照射下，具有較高的催化效率。徐正課題組[16]深入研究了C60分子和其負(fù)離子催化效率，在紫外光照射下，以C60分子和其負(fù)離子作為催化劑，硝基苯被催化氫化為苯胺，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其催化效率高達(dá)到100%，該研究成果進(jìn)一步拓展了催化劑領(lǐng)域[16]。

圖2 C60 催化氫化硝基苯為苯胺

3 疏水材料應(yīng)用

Takashi Nakanshi 等人[17,18]利用自組裝法和模板法分別制備出了微米級(jí)皺折的花瓣?duì)詈褪㈤_(kāi)花狀C60衍生物，該C60衍生物的微米級(jí)材料具有較好的疏水性能和耐高溫性能，在紫外線長(zhǎng)時(shí)間照射下，仍具有較好的疏水性能。該C60衍生物的微米級(jí)材料拓展了疏水材料領(lǐng)域，為疏水材料的發(fā)展提供了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

4 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

4.1 藥物載體

C60納米材料具有較強(qiáng)的抗氧化能力，對(duì)生物細(xì)胞不產(chǎn)生毒害作用，在生物醫(yī)學(xué)方面具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值。F.Moussa 等人[19]把C60納米材料的水溶性懸浮液注入小白鼠肝細(xì)胞內(nèi)，并置于CCl4溶液中處理，經(jīng)過(guò)透射電鏡和顯微鏡觀察，未注入C60納米材料懸浮液的小白鼠肝細(xì)胞，在CCl4溶液中大部分壞死，而注入C60納米材料懸浮液的小白鼠肝細(xì)胞，在CCl4溶液中基本保持完好。這說(shuō)明了C60納米材料懸浮液在生物細(xì)胞中表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗氧化能力，能夠成功的阻礙CCl4溶液破壞生物細(xì)胞。D.B.Warheit 等人[20]在C60納米材料的應(yīng)用方面也做了深入的研究，他們將C60納米材料懸浮液注入小白鼠肺細(xì)胞中，未發(fā)現(xiàn)C60納米材料對(duì)小白鼠肺細(xì)胞有毒性作用。

C60衍生物納米材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面也具有非常廣闊的應(yīng)用前景。David B.Warheit 等人[21]將納米級(jí)的C60(OH)24懸浮液注入小白鼠的肺細(xì)胞中，未發(fā)現(xiàn)C60(OH)24對(duì)肺細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。韓冬等人[22]制備的C60(C(COOH)2)2納米粒子可以選擇性的進(jìn)入受損大腦細(xì)胞，而對(duì)其他健康腦細(xì)胞沒(méi)有破壞作用。這些研究為C60衍生物納米材料作為藥物載體治療病變腦細(xì)胞提供了科學(xué)依據(jù)。

4.2 生物傳感器

目前，生物傳感器主要有DNA 生物傳感器、免疫傳感器和酶生物傳感器，它在眾多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。富勒烯C60材料傳感器較傳統(tǒng)的傳感器具有成本低、生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)單、可再生等優(yōu)點(diǎn)，使其在生物傳感器領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，利用富勒烯C60材料合成的生物傳感器，可以對(duì)蛋白質(zhì)和細(xì)菌等進(jìn)行有效的檢測(cè)與分析。此外，富勒烯C60材料傳感器還可以起到增加電極有效表面積、支撐金屬納米顆粒，使生物傳感器的性能達(dá)到最佳狀態(tài)[23]。

5 抗氧化性應(yīng)用

清除自由基對(duì)人體健康非常重要，它與人體的細(xì)胞新陳代謝、皮膚衰老以及疾病的預(yù)防和治療有非常緊密的關(guān)系。富勒烯C60有著非常強(qiáng)的抗氧化性，它可以較好的起到清除自由基、預(yù)防衰老的作用。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，把富勒烯C60加入到皮膚保健品中，其清除自由基功能能夠起到抗皮膚氧化、減緩人體皮膚細(xì)胞新陳代謝等作用。

6 超導(dǎo)材料應(yīng)用

美國(guó)科學(xué)家貝爾發(fā)現(xiàn)了富勒烯的超導(dǎo)性，他在固體C60中摻雜堿金屬鉀后得到了K3C60，驚喜的發(fā)現(xiàn)它的超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到了18K[24]。各國(guó)科學(xué)家相繼研究了C60的不同金屬的摻雜，使得對(duì)超導(dǎo)體的研究取得很大進(jìn)展。摻雜C60超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)對(duì)能源技術(shù)具有突破性的影響，這種超導(dǎo)體擁有良好的性能以及僅次于氧化物陶瓷超導(dǎo)體的臨界溫度，使其在超導(dǎo)計(jì)算機(jī)電子屏蔽、超導(dǎo)磁選礦技術(shù)、長(zhǎng)距離電力輸送、磁懸浮列車(chē)以及超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)等更多領(lǐng)域中應(yīng)用。

除此之外，富勒烯C60及其衍生物材料在原子級(jí)光開(kāi)關(guān)、電泳顯示、隧道二極管、雙層電容器、光電成像、潤(rùn)滑劑、表面涂層、增強(qiáng)金屬?gòu)?qiáng)度、氣體儲(chǔ)存、氣體分離等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

7 結(jié)語(yǔ)與展望

富勒烯C60及其衍生物材料應(yīng)用研究是富勒烯研究領(lǐng)域的重要組成部分，其獨(dú)特的性能受到廣泛關(guān)注，今后富勒烯C60及其衍生物材料的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.合成富勒烯C60衍生物單加成和多加成的三維立體結(jié)構(gòu)，制備其不同晶態(tài)形貌的納米材料，系統(tǒng)地研究富勒烯C60及其衍生物材料的晶態(tài)形貌和性能的關(guān)系，探究其本質(zhì)規(guī)律。

2.深入研究富勒烯C60及其衍生物材料在太能電池、非線性光學(xué)性能、光電轉(zhuǎn)換性能、疏水材料、藥物載體、生物傳感器、抗氧化性和超導(dǎo)材料等方面應(yīng)用，以期獲得性能優(yōu)異的C60及其衍生物新材料。

3.進(jìn)一步開(kāi)拓和探索富勒烯C60及其衍生物材料應(yīng)用研究領(lǐng)域。隨著科學(xué)研究的不斷深入，相信不久的將來(lái)富勒烯C60及其衍生物材料的應(yīng)用前景更為廣闊。

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