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近年来,碳纳米材料以其独特的性能及广阔的应用被认为是最具发展前景的材料之一。而作为唯一具有确定分子结构的可溶性零维晶形碳,富勒烯的内部可以嵌入不同种类的金属原子或是金属簇。金属原子与碳笼之间的强烈的相互作用使得这一类金属富勒烯显得尤其迷人。这其中,由于具有众多的同素异构体,使得超大碳笼金属富勒烯的结构,性质以及金属与碳笼之间的相互作用作为一个神秘的、极具潜力的未知领域逐渐得到越来越多的关注,并为富勒烯家族的发展翻开了新的篇章。本论文对一系列含镧的超大碳笼金属富勒烯的合成、提取、分离以及表征工作进行了研究,并在此基础上首次对它们的化学反应活性进行了初步探讨。主要研究内容和结果如下：(1)采用直流电弧法合成了一系列含镧的超大碳笼金属富勒烯(La2C2n,2n=94-106),并通过高效液相色谱方法首次分离出29个同素异构体：La2C94(五个同素异构体)、La2C96(五个同素异构体)、La2C98(五个同素异构体)、La2C100(五个同素异构体)、La2C102(四个同素异构体)、La2C104(两个同素异构体)以及La2C106(三个同素异构体)。所有这些同素异构体都经由LDI-TOF质谱,分析高效液相色谱以及Vis-NIR光谱对其纯度,碳笼对称性以及分子稳定性等方面进行了表征和研究。根据它们的光谱吸收特征,La2C94(I)和La2C106(I)分别被确认为两个金属碳化物簇富勒烯La2C2@D3(85)-C92和La2C2@D3d(822)-C104;而La2C100(V)则被认定是一种传统的双金属富勒烯La2@D5(450)-C100。此外,结合以往的理论计算推测La2C94的其余四个同素异构体分别对应于计算结果中稳定性最高的La2C2@C2(64)-C92、 La2C2@C1(67)-C92、La2@C2(126)-C94以及La2@C2(121)-C94。电化学测试结果发现碳笼结构对超大碳笼金属富勒烯La2C2n的电化学性质有非常显著的影响。当碳笼尺寸大于C100后,金属富勒烯的能带间隙明显降低。(2)为了对分离出的含镧超大碳笼金属富勒烯的分子结构以及金属在碳笼中的运动状态等进行更为精准的研究,通过单晶X射线衍射对其中产量最高的三个同素异构体La2C2n(2n=102、104、106)的分子结构进行了表征,进而确定它们实际上均为金属碳化物簇富勒烯La2C2@D5(450)-C100、La2C2@Cs(574)-C102和La2C2@C2(816)-C104。不同于其它金属碳化物簇在中等尺寸碳笼中表现出的蝴蝶型结构,La2C2在这三个超大碳笼中首次呈现出轻微扭曲的线形结构,且其弯曲程度随着碳笼尺寸的增大而有所降低。就碳笼结构而言,D5(450)-C100和Cs(574)-C102均为两个完美的管状碳笼,C2(816)-C104则由于在其腰部存在的一个pyracylene体系被视作是一个带有缺陷的管状碳笼。单晶XRD结果表明,在两个La原子与C2-单元以及碳笼上的碳原子之间的较强的成键作用下,金属碳化物簇的嵌入使得La2C2@D5(450)-C100管状碳笼结构在轴向上发生了一定程度的收缩。另一方面,带有缺陷的管状碳笼C2(816)-Ci04可以通过不同途径消除其上的pyracylene缺陷转换成三种完美的纳米管状碳笼结构D5(450)-C100、Cs(574)-C102以及D3d(822)-C104。考虑到管状碳笼富勒烯与碳纳米管之间在结构特征和物理性质上的相似性,我们首次通过单晶X射线衍射从原子级别对碳纳米管的结构变形以及形成机理进行了研究。结果表明：(a)在内部库仑力的作用下,与D5(450)-C100相对应的一个两端封口的(10,0)之字形碳纳米管的圆柱体部分承受的轴向应变高达1.2%,且是其帽盖部分的2-6倍。(b)在电弧放电过程中,带有缺陷的碳纳米管是完美碳纳米管的一种起始结构。(3)为了对金属碳化物簇富勒烯(尤其是超大碳笼金属碳化物簇富勒烯)的化学反应活性进行研究,以一种最常见的中等尺寸碳笼金属碳化物簇富勒烯Sc2C2@C3v(8)-C82和两种超大碳笼金属碳化物簇富勒烯La2C2@D5(450)-C100、 La2C2@Cs(574)-C102为研究对象,对它们与三苯基氮氧杂戊烷之间的1,3-偶极环加成反应进行了较为系统的研究。结果表明,碳笼尺寸和形状对金属碳化物簇富勒烯的1,3-偶极环加成反应的反应活性和生成产物的类型影响较大。在同样条件下,管状超大碳笼金属碳化物簇富勒烯在反应过程中则更容易生成多加成产物,并且即使降低反应温度也不能阻止多加成产物的生成。此外,对于中等碳笼尺寸的Sc2C2@C3v(8)-C82而言,其最主要的单加成产物Sc2C2@C3v(8)-Cg2(CH2)2NTrt (2; Trt为三苯甲基的简称)的单晶X射线衍射结果显示取代基团加成在碳笼上远离两个Sc原子且位于C2-单元的正上方的一个[6,6]键上,从而形成一个闭合的吡咯烷衍生物。在理论计算和前人研究的基础上,我们发现金属碳化物簇Sc2C2的嵌入使得加成位置所在的六元环上的碳原子不仅展现出极高的POAV值(p轨道轴向矢量),且同时具有较大的最低未占据分子轨道系数,从而对各种反应物均展现出极高的反应活性。