富勒烯
關注創建者：zhigu1951 創建時間：2018-10-17
富勒烯的實例教程
關鍵詞：AIMD；xtb；富勒烯；分子動力學
背景介紹
富勒烯是一類具有高度對稱性的碳分子，其獨特的結構使其在材料科學、化學反應、納米技術等領域具有廣泛的應用前景。富勒烯的形成過程涉及復雜的反應機制和分子間相互作用，因此，研究其形成機理對于理解富勒烯合成的熱力學和動力學特性至關重要。傳統的實驗方法難以從原子尺度揭示富勒烯的形成過程，而基于從頭算（AIMD，Ab Initio Molecular Dynamics）模擬的研究可以在微觀層面直觀展示這一過程，從而為富勒烯的合成提供理論指導。
本案例基于xtb軟件，采用AIMD方法模擬富勒烯的形成過程。
初始模型構建
首先利用VMD的extensions-modeling-nanotube Builder模塊構建（5，5）手性，管長7埃的碳納米管作為初始模型，如圖1和2所示：
圖1 VMD構建碳納米管的界面
圖2 初始碳納米管模型
模擬在3000K下進行，注意溫度既不能太高，也不能太低。模擬時間設置為20ps,步長為1.5fs。由于模擬過程會牽扯到鍵的形成和斷裂，因此不能對鍵長進行約束，shake要設置為0。xtb的輸入文件如圖3所示：
圖3 xtb 的輸入文件
模擬分析
經過20ps的模擬后，可以觀察到碳納米管的結構演變以及富勒烯的形成過程，如圖4所示：
圖4 富勒烯的形成過程
可以看到，模擬過程中，碳納米管先發生扭曲變形，隨后一端開始發生封閉，當兩端都封閉后逐漸形成球形的富勒烯，模擬至20ps，完美的C60富勒烯已經能自發形成。
展開 由此出發，結合富勒烯和非富勒烯受體(NFAs)可能是有利的，因為富勒烯衍生物(PCBM)是良好的電子傳輸介質，而NFAs具有良好的光吸收和高度可調的能級排列。此外，由于NFAs體系的電荷分離過程中的驅動力較小，相應的器件得到的開壓損耗[定義為Eloss = Egopt ? qVoc (其中Egopt是光帶隙，Voc是開路電壓，q是基本電荷)]很低。
【成果簡介】
近日，中科院化學所的朱曉張教授、瑞典林雪平大學的張鳳玲教授以及上海交通大學劉烽教授（共同通訊）聯合在Nature Energy上發表文章，題為：High-efficiency small-molecule ternary solar cells with a hierarchical morphology enabled by synergizing fullerene and non-fullerene acceptors。作者通過將小分子給體與富勒烯和非富勒烯受體相結合，實現了三元太陽能電池13.20?±?0.25%的高能量轉換效率，這形成了由PCBM組成的電荷運輸高速公路和精細的非富勒烯小相分離路徑組成的分級形貌。載流子生成和傳輸實現了最佳平衡，同時降低了電壓損耗。這種分級形貌充分利用了富勒烯和非富勒烯受體的各自優勢，證明了它們在有機光伏中的不可或缺性。
展開 【圖文簡介】
1．富勒烯與石墨烯的非共價復合
圖1 C60/石墨烯的電子狀態及其光生載流子轉移過程
圖2 非共價復合C60/石墨烯多維夾心結構
圖3 非共價復合C60/石墨烯在光伏器件中的應用
圖4 非共價復合C60/石墨烯在生物催化中的應用
圖5 非共價復合C60衍生物/石墨烯及其超分子自組裝
富勒烯和石墨烯的非共價復合主要包括形成石墨烯/富勒烯雙層膜或將原始富勒烯(或衍生物)與石墨烯進行物理混合。構建由富勒烯和石墨烯組成的混合納米結構的方法之一是將C60沉積到石墨烯膜上以形成雙層混合物；這樣，可以研究C60和石墨烯之間的界面電子相互作用和電荷轉移。此外，通過物理混合兩種組分，也可以容易地制備富勒烯與石墨烯的非共價雜化物。 與原始富勒烯不同，富勒烯衍生物具有通過化學官能化接枝的多種官能團，能夠促進其在不同基底(如石墨烯膜)上的組裝。
展開 圖3.使用富勒烯和非富勒烯電子受體的OPV的能量損失與各項參數之間關系的比較。
(a) 能量損失與VOC; (b) 能量損失與PCE; (c) PCE與EQE。
圖4.聚合物給體(DCBT-2F)
2、非富勒烯受體IT-4F’、C60和PC61BM中的靜電勢(ESP)分布。（藍色代表強正ESP，紅色代表強負ESP，而綠色代表中性的ESP）
3、有助于提高性能的形貌
在聚合物:富勒烯和聚合物:非富勒烯系統中，包括分子排布、相分離尺寸、相純度和連通性等在內的吸光層微納形貌對器件性能起著至關重要的作用。
圖5.光伏器件的化學結構、薄膜制備過程與器件性能的內在聯系。
圖6.光伏薄膜不同表征技術的總結。
圖7.分子取向以及 π-π 層疊示意圖
(a)共軛分子之間以及PCBM納米顆粒之間的 π-π 層疊。
(b)層疊方向及其電荷傳輸效率。
(c)基底上分子的平躺（face-on）和側立（edge-on）取向。
(d)H-聚集（面對面）、J-聚集（面對面滑動）和共軛分子間螺旋聚集的示意模型。
(e)富勒烯和非富勒烯OPV中給體和受體之間理想 π-π 層疊方向的描述。
圖8.非富勒烯OPV光活性層內垂直空間的組分分布圖示。
展開 中國科大開發富勒烯的新應用取得進展
由于少層黑磷納米片更容易從邊緣被氧化降解，其邊緣連接了高穩定性的C60分子后，C60起著保護盾牌的作用，有效地抑制了少層黑磷納米片被氧化降解，從而其在水中的穩定性相對于未嫁接C60的少層黑磷納米片提高了約4.6倍。此外，由于C60具有強的接受電子的能力，形成黑磷-C60雜化材料后可以發生黑磷到C60的光誘導電子轉移，從而顯著提升了少層黑磷納米片的光電流響應和光催化活性。這一結果不僅為提高黑磷的穩定性提供了新的思路，而且對于開發富勒烯材料的新應用有著重要意義。
中國科大化學與材料科學學院已畢業博士生朱先軍為該論文的第一作者，楊上峰為唯一通訊作者。該項研究得到科技部、國家自然科學基金委和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。
近年來，該研究組致力于通過開發新型的富勒烯/二維納米材料雜化結構拓展富勒烯材料的新應用，最近受邀為德國Wiley旗下的國際學術期刊《先進科學》撰寫了題為Hybrids of Fullerenes and Two-Dimensional Nanomaterials 的綜述文章（Adv. Sci. 2018, DOI: 10.1002/advs.201800941）。
展開 
富勒烯的最新內容
關鍵詞：AIMD；xtb；富勒烯；分子動力學
背景介紹
富勒烯是一類具有高度對稱性的碳分子，其獨特的結構使其在材料科學、化學反應、納米技術等領域具有廣泛的應用前景。富勒烯的形成過程涉及復雜的反應機制和分子間相互作用，因此，研究其形成機理對于理解富勒烯合成的熱力學和動力學特性至關重要。
█展品范圍：
工業鉆石、超硬材料及制品展區
1、工業鉆石應用端：培育鉆石、金剛石晶體、金剛石復合材料、金剛石微粉及磨料、金剛線、金剛石薄膜和厚膜 /DLC 涂層、氧化鋁、石墨負極材料、硅碳負極、碳納米管、碳納米管纖維、碳纖維及碳纖維復合材料、炭/炭復合材料、活性炭、超級電容炭、多孔碳、碳氣凝膠、碳分子篩、碳化硅半導體材料、富勒烯、立方氮化硼及其微粉、PDC、PCD、PCBN、CVD 金剛石、
對就是C60 “富勒烯”的那個富勒，也是發明網格穹頂結構的那個富勒。關于張拉整體結構是如何受力平衡的，其實中學物理考過的，當時分析起來有點兒燒腦。
07
納米碳的超結構組裝：富勒烯、納米管和石墨烯
浙江大學高超教授課題組討論了二維膠體、液晶與宏觀纖維關聯領域的研究。作者首先追溯了二維膠體的歷史，探討了在液晶研究背景中二維納米材料纖維的概念，詳細闡述了制備的動機、原理和可能的策略。然后文章重點關注了石墨烯纖維的出現、發展和應用。此外，二維納米纖維的最新進展以及未來發展趨勢也被概括描述。
參展范圍：
納米新材料：納米碳納米材料（石墨烯、富勒烯、碳納米管），納米金屬及其氧化物材料（納米金、納米銀、納米氧化鋁、納米氧化鐵等），納米粉體材料，納米微球，納米涂層，納米陶瓷，納米復合材料，納米生物材料，納米光學材料，氮化鎵襯底材料等。
它可以被翹曲成0D富勒烯，卷成1D CNTs，堆疊成3D石墨，這是其他石墨材料的基本單位。它還具有優異的機械、電氣和熱性能(圖9b)。石墨烯中的每個碳原子都是sp
2雜化的，并且石墨烯的自由運動使得石墨烯具有超高的面內熱(≈5300 W/mK)和導電性，從而可以在相對低的石墨烯負載下實現高強度的聚合物復合材料。Qin等人報道了石墨烯被包裹在商用三聚氰胺甲醛泡沫中形成骨架。
Bi等設計了一種新型碳基富勒烯結交叉納米管周期網絡結構，通過密度泛函理論計算和分子模擬，得到Li@C
158B
22、Na@C
132B
24和Be@C
132B
24體系，分別可以吸收13.95%、10.09%和10.85%的氫氣。
這些措施包括：
轉子軸和支承零件等采用耐磨非金屬材料替代，以降低系統總重和成本；
探索應用新型材料，如覆蓋巴克明斯特富勒烯分子的鈷薄膜，以解決稀土資源的匱乏及開采中的毒副作用和環境破壞問題；
通過優化電機結構，如極槽比、齒槽比、裂比等，提高材料利用率；
重置工藝路線，去庫存
碳材料方面，研究人員在碳納米管、碳納米球、石墨納米纖維、富勒烯C60、介孔碳、碳氣凝膠等方面進行了有益的嘗試。其中碳納米管載體是研究得比較廣泛的一種碳材料，它獨特的管狀結構和良好的導電性能使其非常適于用作催化劑的載體，而且研究表明，采用Pt/CNTs的穩定性明顯好于Pt/C；另外，在碳納米管中摻雜氮或硼可以進一步提高其穩定性。
一、石墨烯結構特性
石墨烯是一種新型的由碳原子構成的單層片狀結構的二維材料，是一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，可以看作是一層被剝離的“石墨片”，被認為是零維的富勒烯、一維的碳納米管和三維的體相石墨的母體。理論上石墨烯是構成其他維度碳材料的基本材料，石墨烯不僅可以覆蓋成零維的富勒烯，也可以卷曲成一維的碳納米管，還可以堆積成三維的石墨。
