近日，杨上峰教授课题组与华中科技大学材料科学与工程学院卢兴教授组、美国Univ. of Puerto Rico陈中方教授组和日本筑波大学Takeshi Akasaka教授组合作，发现并分离表征了一种新结构富勒烯，改变了富勒烯界对于内嵌富勒烯结构已公认20余年的认识。相关研究成果以“An Improbable Monometallic Cluster Entrapped in a Popular Fullerene Cage: YCN@Cs(6)-C82”为题在线发表在自然出版集团《Scientific Reports》上（Sci. Rep. 2013, 3, 1487）。

 

富勒烯结构中最为特殊的性质是其碳笼内部为空腔结构，因此可以在其内部空腔内嵌某些特殊物种（原子、离子或原子簇），由此而形成的富勒烯被称为内嵌富勒烯（endohedral fullerene）。第一个经典的内嵌富勒烯La@C82于1991年由诺贝尔化学奖（1996 年）得主之一Smalley教授组分离，至今20余年来科学界普遍认为基于单金属的内嵌金属富勒烯以最简单的M@C2n形式稳定存在。另一方面，近10年来通过内嵌金属原子簇而形成的内嵌金属原子簇富勒烯得到了很快的发展，自1999年Nature期刊发表了金属氮化物原子簇富勒烯Sc3N@C80的发现以来，陆续有包括内嵌碳化物、碳氢化合物、氧化物、硫化物及碳氮化合物的金属原子簇富勒烯被发现和分离出来，研究表明内嵌金属原子簇富勒烯时通常需要2-4个金属原子才能使内嵌的金属原子簇得以稳定下来。因此，将单金属原子簇内嵌到富勒烯碳笼中看似是“不可能的”。

 

该研究组基于前期在新结构内嵌富勒烯合成和分离方面的系列工作（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8196-8200；J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5413-5421；Chem. Commun. 2009, 6391-6393；ACS Nano 2010, 4, 4857-4871；Chem. Eur. J. 2010, 16, 12398-12405；Chem. Eur. J. 2012, 18, 2666-2673；Inorg. Chem. 2012, 51, 3039–3045），以Y2O3与TiO2的混合物作为起始原料通过直流电弧放电法合成内嵌富勒烯，意外地发现了一种基于单金属氰化物原子簇的新型内嵌富勒烯YCN@C82的全新结构，并成功地实现了分离。进一步地，通过与华中科技大学材料科学与工程学院卢兴教授组和日本筑波大学Takeshi Akasaka教授组合作，利用X射线单晶衍射法成功确定出其分子结构为Cs(6)-C82，并证明了其内嵌的物种的确为单金属氰化物原子簇YCN，有意思的是该原子簇的几何构型为三角形，与常规的直线型无机氰化物完全不同。还与美国Univ. of Puerto Rico陈中方教授组合作对YCN@C82进行了理论研究。YCN@C82的发现改变了前述的富勒烯界对于内嵌富勒烯结构已公认20余年的教条性的认识，证明了看似“不可能”的结构是“可能”存在的，将为研究新结构内嵌富勒烯开辟新的途径。

 

 

杨上峰教授为该论文的第一作者和共同通讯作者，已毕业的博士生陈传宝和在读博士生刘富品参与了这项研究。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院及科技部的项目资助。

 

另外，鉴于该研究组在新型内嵌富勒烯合成和分离方面的系统性工作和取得的系列进展，受美国化学会国际著名综述期刊《化学评论》(Chemical Reviews)的邀请，与德国莱布尼兹固体材料研究所Lothar Dunsch教授组合作，以共同通讯作者的身份发表题为“Endohedral Fullerenes”的综述论文(Chem. Rev. 2013, 113, DOI: 10.1021/cr300297r)。此前，该研究组还受英国皇家化学会国际著名期刊《Chemical Communications》的邀请，独立发表了题为“Fullerenes Encaging Metal Clusters — Clusterfullerenes”的特征论文（Feature Article） (Chem. Commun. 2011, 47, 11822-11839)。