[发明专利]金属富勒烯衍生物及其制法和能量存储与转换的方法

说明书

本发明公开了金属富勒烯衍生物及其制法和能量存储与转换的方法。本发明中的金属富勒烯衍生物为经加成反应，在金属富勒烯表面修饰氮氧自由基小分子2，2，6，6‑四甲基哌啶‑氮氧化物的衍生物得到的一类金属富勒烯衍生物。采用紫外光照射金属富勒烯衍生物，然后参与催化氧化反应，能量存储率高，能量转化率高，实现了系统对紫外光能的存储以及光能向化学能的转化，且能量存储和转化方法过程简单，经紫外光照射后的金属富勒烯衍生物可以通过常规的测试仪器分析电子转移的过程，可以通过电子顺磁信号的变化反应电子转移情况，且灵敏度高，能够拓展检测电子转移过程的时间尺度。

技术领域

本发明涉及金属富勒烯衍生物及其制备方法和应用领域，特别涉及金属富勒烯衍生物及其制备方法，以及利用该金属富勒烯衍生物的能量存储与转换的方法。

背景技术

太阳能作为廉价、绿色、易得的可再生能源，是化石能源的最好替代品。利用太阳能首先要解决的问题是能量转化，而光诱导电子转移作为自然界光合作用的能量转化模式已经引起了广泛关注。

模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来，研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式，科学家能够完成水的分解反应，但这些化学反应条件非常苛刻，温度很高，溶液具有腐蚀性很强的碱性，而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的金属。2015年研究人员首次使用高效、安全、集成的太阳能系统分离水分子并制造出氢气燃料，新研究的系统实验证明可将10％的太阳能转化为化学能，能量转化率较低。

目前，光合作用的模拟研究中也存在着各种难题，主要包括：(1)光合作用系统结构精细复杂，设计的功能结构及物质原料较多；(2)光合作用过程复杂，反应较多，人工光合作用系统的设计的整体构思也极为关键，需要考虑诸多因素；(3)反应原料能否自然提取或者化学合成、体外稳定性以及经济性能能否满足要求；(4)复杂部位在满足功能要求基础上的结构简化问题；(5)反应系统及反应器的制备问题，制备技术和制备工艺复杂。种种因素限制了人工模拟光合作用的进一步研究、发展和应用。

金属富勒烯是将金属原子嵌入富勒烯碳笼而形成的一类内嵌金属富勒烯(Endohedral Metallofullerenes，EMFs)，同一碳笼内可以嵌入各种形态的金属原子，如单金属原子、同核或异核双金属团簇等，通用表达式为M@C_2n。

由于金属富勒烯同时具有内嵌金属和空心富勒烯的双重特性，使其在有机半导体材料、固相催化、光电功能器件、生物医学等诸多领域有着广阔的应用前景。随着研究的发展，人们开始关注内嵌金属富勒烯连接光敏感的络合物或者杂环配合物所导致的光物理性质的变化。通过运用富勒烯或者金属富勒烯共价键合电子受体和供体的方式模拟光合作用的过程或者研究光电器件，同时对电子转移机理和随后生成的自由基离子态也做了相关的研究工作。但是，目前这些研究都处于机理试验阶段，实际应用比较少。另外，在目前的研究中，通常是采用瞬态吸收的方式研究激发态的自由基离子所处的状态和寿命，这种超快的电子转移过程的研究仪器复杂、测试难度大、分析谱图困难、灵敏度不高，而且超快的电荷转移和复合使得研究光能的存储及利用受到极大的限制。

发明内容

为了解决现有光能量转化率低的问题，同时为了克服现有研究激发态自由基离子存在的研究仪器复杂、测试难度大、分析图谱困难、灵敏度不高的缺陷，本发明提供金属富勒烯衍生物，其能量存储率和能量转化率高，可实际应用于能量存储和转化中，同时提供了该金属富勒烯衍生物的制备方法和能量存储与转换的方法。

本发明所提供的金属富勒烯衍生物，其结构式如式(I)化合物所示：

式(I)化合物中，n＝1、2、3；

R＝H、烷基、羟基、羧基；

表示金属富勒烯。