金属富勒烯是一类将金属原子或团簇内嵌到富勒烯碳笼形成的核壳结构分子。外层富勒烯笼具有自身独特性质，内嵌的金属团簇又带来丰富的电子学、磁学和光学等物理性质，使得金属富勒烯在半导体器件、单分子磁体、量子信息、分子机器、传感与测量等方面具有重要应用潜力。我们系统开展了内嵌金属富勒烯的合成、结构表征、电子自旋特性、自旋调控、自旋感知功能、分子磁体、分子器件等研究，聚焦基于金属富勒烯的分子自旋体系，推动金属富勒烯材料的创新性应用。

 （1）金属富勒烯的结构与物理化学性质研究

金属富勒烯的结构与其物理化学性质是认知和设计功能材料的基础。我们致力于发现新组成、新构型的金属富勒烯分子，并探究分子的动力学特性、电化学氧化还原过程、电子结构、振动光谱等物理化学性质，在J. Am. Chem. Soc.等期刊发表研究论文多篇。

（2）金属富勒烯的电子自旋调控研究

开发含有一个未配对电子的金属富勒烯分子，通过电子自旋共振波谱（ESR）手段可以探知自旋跃迁、自旋-核耦合、自旋-晶格效应等。金属富勒烯的电子自旋一个重要应用是作为量子比特应用于量子信息处理，通过影响一个分子的自旋来实现对整个自旋体系的操控。鉴于此，我们致力于研究金属富勒烯的电子自旋调控，相继探索了化学方法和物理手段对自旋的影响。例如，开展了金属富勒烯在限域空间中的电子自旋操控与磁性材料设计，将自旋活性的Y2@C79N嵌入到金属有机骨架化合物MOF-177晶体的孔笼中，利用MOF-177孔笼与金属富勒烯之间的主客体作用，实现了金属富勒烯自旋的调控（J. Am. Chem. Soc. 2015）。设计了光学活性的^AZOMOF用于光调控孔笼内Sc3C2@C80的自旋共振信号（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018）。

（3） 提出和发展金属富勒烯的自旋感知功能

例如，发现了Sc3C2@C80的电子自旋可以灵敏感知氮氧自由基弱磁场，通过自旋-自旋相互作用可以实现Sc3C2@C80自旋信号的开和关，Sc3C2@C80灵敏的磁感知功能可用于弱磁场探测和量子信息处理（Nat. Commun. 2015）。发现了Sc3C2@C80的电子自旋对三蝶烯分子转子运动的感知，因此Sc3C2@C80可作为分子转子等分子机器的运动探针（Nanoscale 2018）。将金属富勒烯Sc3C2@C80作为分子磁探针用于探测MOF材料孔笼的变化和MOF孔道中气体的吸脱附过程（Nanoscale 2018）。将金属富勒烯Sc3C2@C80作为分子纳米自旋传感器用于探测多孔有机框架材料对气体的吸附性能（Nat. Commun. 2023）。

（4）设计开发基于金属富勒烯的磁光性质材料

金属富勒烯单分子磁体具有独特的结构和性质，富勒烯笼将磁性金属离子保护并与其他磁性离子隔离开来，在量子比特方面具有重要的研究价值。为了便于信息的写入与读取，将光学特性集成到富勒烯笼内并实现金属富勒烯单分子磁体的光磁相互作用具有重要意义。我们将金属Er和Dy同时嵌入到富勒烯笼内，将Dy离子的单分子磁体功能和Er离子的近红外荧光特性结合起来，设计、合成、表征了一系列发光的单分子磁体，探究了结构、温度等条件对发光单分子磁体的影响，推动单分子磁体的发展（Nano Res. 2019; Nanoscale 2019; ACS Nano 2021）。

（5）设计开发基于管状金属富勒烯的分子电学器件

合成分离得到了高纯度的铈基内嵌金属富勒管Ce2@C100，并对其电化学性质、磁学性质、单分子电导性质及超分子组装行为做了系统的研究（Angew. Chem. Int. Ed. 2022）。采用扫描隧道显微镜裂结（STM-BJ）技术，进行了单分子电导测试，结果表明Ce2@C100的碳笼短轴方向是电极的稳定连接取向，在此构象下测得的Ce2@C100的电导率比Ce2@C80的高出5到8倍。该工作在实验上表征了金属富勒管优异的单分子电导性质，阐明了金属富勒管的管状结构与性质之间的密切关系。