掺杂团簇的制备方法技术

掺杂团簇的制备方法，涉及一种团簇化合物。提供一种能明显提高产率的掺杂团簇的制备方法。把ＢＮ和Ａｇ混合物置于碳棒中并固定在电弧放电装置正极端，封闭反应腔体；打开进气通道中与反应气体相连的真空两通活塞以及与辅助气体相连的真空两通活塞；打开与真空泵相连的真空三通活塞，开始对体系进行抽真空，关闭真空三通活塞，打开真空两通活塞和辅助气体钢瓶上的气阀，向反应腔体中放入Ｈｅ与Ｎ↓［２］混合气体，打开冷却水管、电弧焊机和引弧装置，使两电极间起弧；待反应腔体降至室温后，关闭冷却水，向反应腔体内引入Ｎ↓［２］至常压；取出反应生成的碳灰，称量，用甲苯作为溶剂，索氏提取，蒸发甲苯得目标产物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种采用电弧法在制备C60、C70等经典团簇富勒烯过程中向其中引入氮(N)、硼(B)等元素的方法来稳定富勒烯并以期形成掺杂富勒烯(heterofullerene)及相关的团簇化合物。
技术介绍
富勒烯化学的诞生，基于C60发现和深入研究，而C60的发现，则得益于科学家们对星际碳合物研究的意外收获。20世纪80年代初，Smally、Curl和Kroto在用激光蒸发石墨时，在质谱图上发现了一系列偶数碳原子形成的簇合物分子，并成功地检测到了比C58强30倍的C60，从而拉开了富勒烯化学的研究序幕。后来，他们提出了C60具有封闭笼形结构的设想，并用现代化学理论进行分析构建了球笼分子模型。由于该模型是在美国球形建筑物的形状影响下而构想出来的，而该建筑物又是Buckminster Fuller设计的，因此为了纪念这位著名的建筑学家，他们将C60命名为巴基球(Buckyball)，后来直接将C60等笼形分子通称为富勒烯(Fullerene)。而掺杂富勒烯是指一个或多个碳原子被其他原子取代所生成的物质。自富勒烯发现以来，对其合成方法的探索从来没有间断过。作为经典的合成方法，Krtschmer(W.Krtschmer，L.D.Lamb，K.Fostiropoulos，D.R.Huffman，Nature 1990，347354)电弧法，一直是富勒烯及掺杂富勒烯主要的合成方法。尽管到目前为止，国际上已经摸索出多种富勒烯的合成方法。但是，富勒烯的研究者们一直在试图对其形成机理进行探索，探索不同条件下电弧法生产富勒烯的产率。试图了解富勒烯的生成条件对诸如缓冲气体的种类与分压、电源种类、电流和电压的大小、正负电极的直径和外形、反应腔体容积的大小以及催化剂等多个参数的依赖性，从而根据这些参数对富勒烯种类及各种富勒烯的产率大小的影响程度，对其形成机理进行合理的推测和判断，从物理学和化学的角度去探索富勒烯的形成机理。而掺杂富勒烯的合成研究也是研究富勒烯形成机理的一个有效手段。掺杂富勒烯的合成与表征是当今富勒烯化学研究领域最具挑战性的研究热点。由于杂原子的介入很可能会改变纯碳笼的结构和电子性质，因此这些掺杂富勒烯很可能在超导、光电子器件和有机铁磁体方面得到应用，并可能作为半导体和构建纳米材料与其他富勒烯衍生物的前体而得到广泛的应用。另外，杂原子的掺杂还可以使富勒烯的氧化还原性得以改善。与经典的全碳富勒烯C60和C70相比，掺杂富勒烯的最稳定异构体不仅更容易被氧化，而且也更容易被还原。例如，对于双杂原子的富勒烯C58X2、C68X2、C58BN和C68BN而言，随着两杂原子间距离的增加，电离势逐步下降而电子亲和势逐步升高；两杂原子间距离越大，体系与最稳定异构体间在氧化还原性能上的差异就越大，这一结果再次说明了掺杂富勒烯电子性质与杂原子间相对位置的依赖关系。1991年首例掺杂富勒烯C60-xBx(x＝1～6)的成功制备开创了材料化学和有机化学的新纪元，其稳定性、电子性质、成键特性等许多基础问题都需要我们前去探索。同年，Pradeep等报道了在含有部分N2或者NH3气的He气氛下，用电弧法蒸发石墨时，在碳灰中得到了C59N。1995年，本申请的专利技术人用电弧法蒸发掺杂BN的石墨棒，并用甲苯提取碳灰，在飞行时间质谱中发现提取液中有N杂富勒烯的存在，并用光电子能谱证实了N原子的掺杂。北京大学曾尝试利用电弧法宏观量合成B杂富勒烯，他们得到了富含B杂富勒烯C60和C70的碳灰，但是分离和提纯工作仍是一个极大的难题。随着宏观量B杂富勒烯的成功制备，这方面的工作有望在近期取得一定的进展。同时，将其他杂原子掺杂到笼内也得到了成功，1995年Stry等在实验上得到了氧原子取代的杂富勒烯C59O；1997年Fye等用激光气化掺硅石墨得到了CnSi+(n＝3～69)，并推测了这些硅杂富勒烯的结构；1998年Branz等利用光致电离C60Mx和C70Mx的方法得到了C59-2nM和C69-2nM(M＝Fe，Co，Ni，Rh，Ir)的质谱信号；1999年Poblet等利用激溅射C60Mn的薄膜的方法得到了C59M+，并认为其具有与C60相似的笼状结构。另外，掺杂富勒烯除了可以通过电弧法和激光蒸发这些物理方法得到外，还可以通过化学修饰的方法得到，尤其在N杂富勒烯的合成方面。1995年Mattay等检测到了C59NH+和C59NH2+，并从实验上对C59N进行了确证，Hirsch小组利用解离富勒烯衍生物的方法在质谱中检测到了C59N+和C59N+峰；同年，Hummelen等成功制备了C59N的二聚体(C59N)2。1996年，Nuber等合成并分离了(C59N)2和(C69N)2，并成功合成出其加合物RC59N合RC69N。虽然掺杂富勒烯的研究工作已经取得了一定的进展，但是这一领域的研究仍然只处于起步阶段，有许多问题等待我们进行更加深入的探索，如将更多种类的杂原子掺杂到碳笼中去，丰富掺杂富勒烯的种类，力争得到新的功能材料。另一方面，与全碳富勒烯化学的发展一样，掺杂富勒烯化学的发展也依赖与它们的宏观制备和分离提纯。因此，寻找合适的实验方法和催化剂，合成并分离宏观量的掺杂富勒烯也是一项很有意义的工作。于是，一种能有效提高掺杂富勒烯产率的方法，就显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能明显提高产率的。本专利技术的技术方案是在电弧法反应制备掺杂富勒烯的过程中，向碳棒中加入按一定比例混合的氮化硼(BN)与银粉(Ag)的混合物。本专利技术包括以下步骤1)把按比例均匀混合的BN和Ag混合物放置于碳棒中，待用，按质量比BN∶Ag＝1∶(0.1～0.5)；2)检验反应装置的气密性，把放入BN和Ag混合物的碳棒固定在电弧放电装置正极端，封闭反应腔体；3)打开进气通道中与反应气体相连的所有真空两通活塞以及与辅助气体相连的真空两通活塞；4)打开与真空泵相连的真空三通活塞，开始对体系进行抽真空直至真空度不低于0.1Pa；5)关闭真空三通活塞，打开与辅助气体相通的真空两通活塞，再打开辅助气体钢瓶上的气阀，重复本步骤至少3次；6)向反应腔体中放入He与N2混合气体；7)打开冷却水管；9)打开电弧焊机，同时打开引弧装置，同时把电流调节在60～90A，使两电极间起弧；10)待反应腔体降至室温后，关闭冷却水；11)向反应腔体内引入N2至常压；12)取出反应生成的碳灰，称量，用甲苯作为溶剂，索氏提取，蒸发甲苯得目标产物。在BN和Ag混合物中，按质量比最好BN∶Ag＝1∶0.3。向反应腔体中放入的He与N2混合气体的气压最好为(4.8～5.5)×104Pa，He与N2混合气体按体积比为1∶1。打开引弧装置后电流最好调节为80A，启动步进电机，调节两电极之间的距离使两电极间起弧，控制两电极间的距离在1～2mm之间，使反应持续进行。反应生成的碳灰与甲苯按质量比碳灰∶甲苯≤50。由于本专利技术通过在电弧法反应制备掺杂富勒烯的过程中向碳棒中加入按一定比例混合的氮化硼(BN)与银粉(Ag)的混合物，在电弧放电下，大幅度地提高掺杂富勒烯的产率。附图说明图1为本专利技术实施例的电弧放电装置的结构示意图。图2为本专利技术实施例的碳棒的结构示意图。图3为本专利技术实施例的质谱图。在图3中，横坐标为质量电荷比本文档来自技高网...

【技术保护点】
掺杂团簇的制备方法，其特征在于其步骤为：１）把按比例均匀混合的ＢＮ和Ａｇ混合物放置于碳棒中，待用，按质量比ＢＮ∶Ａｇ＝１∶０．１～０．５；２）检验反应装置的气密性，把放入ＢＮ和Ａｇ混合物的碳棒固定在电弧放电装置正极端，封闭反 应腔体；３）打开进气通道中与反应气体相连的真空两通活塞以及与辅助气体相连的真空两通活塞；４）打开与真空泵相连的真空三通活塞，开始对体系进行抽真空直至真空度不低于０．１Ｐａ；５）关闭真空三通活塞，打开与辅助气体相通的真 空两通活塞，再打开辅助气体钢瓶上的气阀，重复本步骤至少３次；６）向反应腔体中放入Ｈｅ与Ｎ↓［２］混合气体；７）打开冷却水管；９）打开电弧焊机，同时打开引弧装置，同时把电流调节在６０～９０Ａ，使两电极间起弧；１ ０）待反应腔体降至室温后，关闭冷却水；１１）向反应腔体内引入Ｎ↓［２］至常压；１２）取出反应生成的碳灰，称量，用甲苯作为溶剂，索氏提取，蒸发甲苯得目标产物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：季常青，高志永，廖照江，谢素原，黄荣彬，郑兰荪，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92[中国|厦门]