[论文解读] Fulleryne, a new member of the carbon cages family

Mohammad Qasemnazhand, Farhad Khoeini+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2020

Fullerene Chemistry and Applications参考文献 43被引用 5

一句话总结

本研究通过密度泛函理论（DFT）提出了一类新型碳笼结构——富勒炔（fullerynes），其特征为sp杂化的三重键。富勒炔（C₄ₙHₙ）表现出负的电子亲和能，且化学稳定性高于富勒烯，因此在离子/气体储存以及锂离子电池电极方面具有潜在应用价值，因其能够被动传输离子和分子。

ABSTRACT

In this study, based on density functional theory (DFT), we propose a new branch of pseudo-fullerenes which contain triple bonds with sp hybridization. We should call these new nanostructures fullerynes, according to IUPAC. We present four samples with the chemical formula of C4nHn, and structures derived from fullerenes. We compare the structural and electronic properties of these structures with those of two common fullerene and fullerene systems. The calculated electron affinities of the sampled fullerynes are negative, and much smaller than those of fullerenes, so they should be chemically more stable than fullerenes. Although fulleranes also exhibit higher chemical stability than fullerynes, but pentagon or hexagon of the fullerane structures cannot pass ions and molecules. Applications of fullerynes can be included in the storage of ions and gases at the nanoscale. On the other hand, they can also be used as cathode/anode electrodes in lithium-ion batteries.

研究动机与目标

• 提出一类新型碳纳米结构——富勒炔，其特征为sp杂化的三重键，作为假富勒烯的一个新分支。
• 研究富勒炔与富勒烯及富勒烷相比的结构与电子稳定性。
• 评估富勒炔在纳米尺度离子与气体储存方面的潜力，因其独特的孔道形成能力。
• 基于电子与热力学性质，探索其作为锂离子电池电极材料的可行性。
• 利用计算方法建立富勒炔合成与应用的理论基础。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算所提出富勒炔结构的电子与结构性质。
• 设计了四种通式为C₄ₙHₙ的富勒炔模型，其结构源自引入三重键的富勒烯骨架。
• 计算电子亲和能以评估热力学稳定性及电子亲和倾向。
• 将结构参数、键长与电子性质与常见富勒烯（如C₆₀）及富勒烷进行比较。
• 基于几何与电子分析，评估离子与分子通过笼状结构的传输潜力。
• 评估与锂离子电池应用相关的电化学稳定性与氧化还原行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在DFT模拟下，具有sp杂化三重键的碳笼能否形成稳定的闭合笼结构？
• RQ2 富勒炔的电子亲和能与化学稳定性与富勒烯及富勒烷相比如何？
• RQ3 富勒炔在多大程度上可促进离子与小分子通过其笼状框架的传输？
• RQ4 富勒炔在离子储存与电池电极功能材料方面具有多大潜力？
• RQ5 富勒炔是否展现出有利于实际纳米尺度应用的热力学与电子性质？

主要发现

• 成功建模了通式为C₄ₙHₙ的富勒炔，其为具有sp杂化碳原子形成三重键的稳定闭合笼结构。
• 计算得到的富勒炔电子亲和能为负值，且显著低于富勒烯，表明其具有更高的化学稳定性。
• 预测富勒炔的化学稳定性高于富勒烯，但低于已知具有高动力学稳定性的富勒烷。
• 与富勒烷不同，富勒炔笼结构可允许离子与小分子通过其骨架传输，因而具有在选择性储存与传输中应用的潜力。
• 其结构稳定性与渗透性的独特结合表明，富勒炔是纳米尺度离子与气体储存应用的有前途候选材料。
• 电子结构与热力学性质支持将富勒炔作为锂离子电池负极或正极材料的可行性。