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富勒烯亚纳米级中空碳笼内可嵌入多种金属物种，形成金属富勒烯，为精确理解微观世界提供了良好的平台。本文介绍了富勒烯领域的最新成果，包括二维富勒烯网络和富勒烯纳米催化剂；详细探讨了金属富勒烯的合成，以及最近报道的新现象，如金属富勒烯双聚合体、笼内金属-金属成键和非常规碳笼结构等。此外，本文还探讨了金属富勒烯的形成机制，并概述了其在生物医学、单分子磁体和电子器件等领域的应用潜力。最后，对金属富勒烯的未来研究方向进行了展望。
中文题目：小分子有大作为：金属+碳笼=新奇化学！
英文原题：Recent Advances in Endohedral Metallofullerenes
通讯作者：卢 兴，华中科技大学/海南大学
第一作者：蔡文婷，西安交通大学
关键词：金属富勒烯；晶体结构；单分子磁体；金属-金属键；催化
背景介绍
富勒烯是一种由碳原子构成的中空球形分子，它就像一个由碳原子制造的迷你足球吸引了广泛关注。近年来，科学家们在这种神奇的分子内部嵌入了各种金属物种，如原子、离子及团簇等，创造出一类新颖的复合分子—内嵌金属富勒烯。这类新型杂化碳分子不仅开辟了材料科学的新领域，还展示出许多新奇的性质和巨大的应用潜力（图1）。
图1 内嵌金属富勒烯的新性质和新应用
1. 从实验室发现到现实应用：合成与纯化工艺的进展
很长一段时间内，富勒烯的合成主要依赖传统的弧放电法，这种方法产量较低且难以控制。然而，科学家们最近通过燃烧法大幅度提高了富勒烯的产量，并且能够合成具有非常规碳笼结构的富勒烯同素异构体。同时，新研发的纯化技术，如利用纳米胶囊的超分子纯化方法，能够有效地捕获特定的内嵌金属富勒烯，从而在很大程度上简化了提取工艺流程。
2. 新发现：令人惊叹的结构与性质
内嵌金属富勒烯的研究揭示了许多新现象。例如，科学家们发现了一种名为“区域选择性双聚合”的现象，在特定的条件下，两个单金属富勒烯可以通过简单的共结晶方式形成二聚体，这一过程与自旋相互作用有关。此外，科学家们还发现了碳笼内金属-金属直接成键的现象（如镥和铽），这种金属-金属共价键的形成为研究金属及碳元素之间的相互作用提供了宝贵的信息。
3. 丰富的金属内嵌种类带来的新奇结构
通过将过渡金属（如钛、钒）和锕系金属（如钍、铀）内嵌到富勒烯碳笼内，研究人员能够获得传统方式无法合成的新结构。例如，凭借过渡金属、锕系金属与非金属（碳、氮、氧、硫）之间存在的强配位能力，在碳笼内发现了一系列具有特殊键合方式的金属团簇，比如具有类似于环丙烷结构的C3环，C≡C三键、M=X双键（其中M是金属，X是碳、氮、氧）以及U≡N三键等。这些新发现不仅拓展了我们对配位化学的理解，也为未来新型金属簇的研究提供了新的思路。
4. 广阔的应用前景
目前，富勒烯凭借其结构和性能优势在多个领域展现出应用前景。最新的研究进展报道了一系列基于富勒烯的高性能纳米催化剂的设计和应用，如Pt/C60单原子催化剂和C60-Cu/SiO2催化剂等。它们展现出优异的催化性能同时，在很大程度上突破了传统催化剂的限制。此外，科学家们成功合成了具有优异电学和磁性特性的二维富勒烯网络，这为富勒烯在晶体管、储能设备、超导材料以及量子材料设备等领域的应用提供了可能（图2）。在电池领域，富勒烯功能化衍生物同样展现出了迷人前景。例如，通过硝基修饰C60所形成的硝基富勒烯在各种电解质中表现出优异的兼容性，使其成为钠金属电池的有效添加剂。此外，C60-S超分子复合物在锂硫电池中作为稳定的正极材料，展示了其高密度活性位点对锂多硫化物的优异吸附和电化学转化能力。
图2 空心富勒烯研究领域的新拓展：二维富勒烯网络和基于富勒烯的高性能纳米催化剂
相较于空心富勒烯而言，内嵌金属富勒烯独特的电子结构以及金属-碳笼的相互作用赋予了其更为丰富的物理化学性质。这些特性为内嵌金属富勒烯在生物医学、单分子磁体、电子器件等领域的潜在应用打开了无限可能。我们有理由期待，这类新型碳纳米杂化分子将在多个领域带来革命性的突破，推动科学技术的发展进入一个全新的时代。
主要作者简介
卢兴 华中科技大学/海南大学教授。入选海外高层次人才计划并获国家杰出青年科学基金资助。从事新型碳材料的基础研究与应用开发，在掺杂碳分子及其组装体的结构性能调控、能源应用等方面取得了系列有影响的结果，受到诸如诺贝尔奖得主Kroto和美国化学会前主席Echegoyen等知名学者的高度评价。在J. Am. Chem. Soc.（30篇），和Angew. Chem. Int. Ed.（20篇）等国际知名期刊发表论文160余篇，主编专著4部，参编5部，受邀撰写综述16篇。5次担任国际会议（共同）主席，邀请报告及受邀讲学数十次。曾获第十二届“中华人民共和国驻日本大使奖”和第七届日本富勒烯学会“大泽赏”。
蔡文婷 西安交通大学特聘研究员，西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”入选者。从事形式多样的新型金属掺杂碳分子研发，立足于内嵌金属富勒烯和碳纳米管的分子设计、构效关系及掺杂改性，推动其在电催化、新能源、磁性等领域的应用。与此相关的一系列创新性研究工作先后发表于Nat. Energy., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci.等国际高水平化学领域学术期刊上，多次被编辑部选作Highlight文章荣登期刊封面。部分成果被国内外知名媒体及学术网站（如EurekAlert! (Science), Springer Nature, IEEE Spectrum等）进行了专题报道。授权美国发明专利1项。
引用本文
Wenting Cai, Mengmeng Zhang, Luis Echegoyen et al., Recent advances in endohedral metallofullerenes, Fundamental Research, doi.org/10.1016/j.fmre.2023.12.004。
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325823003722
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