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富勒烯及金属富勒烯因其新颖的电子结构和独特的物理化学特性而受到广泛关注，目前在临床诊断、生物医药、能源器件等诸多领域具有潜在的应用价值。对富勒烯进行功能化修饰，能够改善其生物相容性和电磁特性，对于推动其在生物和能源领域中的应用具有重大意义。本论文报道了几种水溶性的富勒烯纳米颗粒，系统地研究了其化学结构和物理性质，将其应用于磁共振成像、抗活性氧损伤、有机太阳能电池等领域。具体内容如下: （一）通过简单的固液反应制备了一种新型的多羟基富勒烯纳米颗粒Gd@C82(O)10(OH)16。对Gd@C82的化学修饰改变了碳笼的电子结构，阻断了C823-碳笼与内嵌Gd3+离子的反铁磁耦合，从而Gd@C82(O)10(OH)16的有效磁矩(8.98μB)相比于Gd@C82（6.4μB）显著提高了。Gd@C82(O)10(OH)16作为磁共振成像(MRI)造影剂，在0.5 T和7.0T磁场下，其弛豫效率比商用造影剂(Magnevist)提高了8-12倍。Gd@C82(O)10(OH)16因其较大的尺寸而容易被网状内皮系统捕获，主要富集在肝脏和肾脏，能够同时增强肝脏和肾脏的磁共振成像，适用于肝脏和肾脏肿瘤的临床检测。同时，我们验证了钆金属富勒烯造影剂的弛豫效率是与其有效磁矩平方成正比的，为设计合成高效的MRI造影剂提供了理论指导。 （二）首次设计合成了表面带正电荷的水溶性氨基富勒烯纳米颗粒Gd@C82-(EDA)8，并通过盐酸处理和阴离子交换的纯化方法确保样品的生物安全性。Gd@C82-(EDA)8具有显著的自由基清除能力和非常高的细胞摄取率，从而能够在2.5μM的极低浓度下高效保护细胞抗氧化损伤。氨基富勒烯纳米颗粒作为一种高效的抗氧化损伤试剂，在生物医药和化妆品领域具有重要的潜在应用价值。 （三）合成了一系列氨基富勒烯纳米颗粒fullerene-EDA，将其应用于有机太阳能电池的电子传输层，显著提高了电池器件的光电转换效率。相比于传统的电子传输材料ZnO，fullerene-EDA电子传输层具有非常高的表面电导率、降低了表面功函、并且通过光学相干效应增强活性层的光谱吸收。Fullerene-EDA作为电子传输层能够适用于不同的活性层电池体系，主要通过增强电池的短路电流密度来提高其光电转换效率，在太阳能电池领域具有重要的潜在应用价值。