工业规模制备富勒烯C60/C70的方法

摘要

本发明涉及工业规模制备富勒烯C60/C70的方法。它是采用冶金工业中真空自耗电极电孤炉制备公斤量级含富勒烯C60/C70的烟炱。生产中将高纯石墨棒置于电炉内作为自耗电极，在高纯氦气氛中启孤，控制一定的电压、电流，以便稳定石墨电极棒间的电孤，并蒸发形成富勒烯烟炱。本发明将富勒烯C60/C70的制备规模从克量级提高到公斤量级，且利用现有的工业设备，这样，所需投资少，可使制备富勒烯C60/C70进入工业生产规模，从而使市场上售价昂贵的富勒烯产品的成本大大降低，产量迅速增加，因而具有显著的经济效益；同时，为推动富勒烯产品的研究和达到实际应用奠定了基础。

说明书

本发明涉及工业规模制备富勒烯C₆₀/C₇₀的方法。属于有机新材料合成技术领域。

自从1990年W.Kratschmer等和R.E.Haufler等（W.Kratschmer et al.，Nature，34，354，1990;Phys，Lett.170，167，1990;R.E.Haufler et al.，J.Phys，Chem.，94，8634，1990）成功地合成了供研究用的富勒烯（Fullerene）碳60和碳70的混合物（以下按国际通用表示法分别写作C₆₀，C₇₀）以后，为合成富勒烯C₆₀/C₇₀奠定了基础。以后各国科学家一直都在竞相寻求更有效的制备方法，以便获得大量的富勒烯C₆₀和C₇₀。

已有的制备方法有电弧汽化石墨法、苯-氧-氩混合气体燃烧法（J.B.Howard et al.，Nature，352，139，1991）等。混合气体燃烧法由于燃烧室的压力、碳与氧的比值、氩气的浓度、气流速度、保留时间等难以控制到一个最佳值，因此采用的人比较少。使用最多的是Kratschmer提出的电弧汽化石墨法，1990年以来在世界范围内已建立了形式各异的电弧汽化石墨炉，并能不同程度地获得克量级富勒烯C₆₀/C₇₀，但是，都还是处在实验室规模，成本高，产量低，从而造成富勒烯C₆₀、C₇₀的价格昂贵，而且居高不下，为深入研究和应用这类化合物带来困难。为此，有必要寻求一种成本低廉、大规模制备富勒烯C₆₀/C₇₀的方法。

本发明的目的是：提供一种成本低廉、适合于工业规模的制备富勒烯C₆₀/C₇₀的方法。

实现本发明的目的所采取的技术措施是：采用冶金真空自耗电极电弧炉（见附图）制备含C₆₀/C₇₀的烟炱：

将高纯石墨（含碳量大于99.99%）加工成上、下电极。用紧固夹套（4）将上电极（7）与真空自耗电极电弧炉负电极相连，将下电极（8）置于结晶器（9）中，以自由接触方式与电炉正电极连接。闭合电弧炉，抽真空，使炉内真空度达到10^-3-10^-6Pa，打开充氦阀门，向炉内充入氦气，使氦气压力达到10³-10⁶pa，降低石墨上电极，使其与石墨下电极接触，通以800A左右的电流，并迅速提升上电极，起弧，起弧后将电流控制在6000A左右，电压控制在30-70V，不断调整上下电极间的距离，使电弧保持稳定，此时石墨不断蒸发，形成烟炱，在水冷结晶器内壁上沉积。当电极有效部位蒸发完毕后，停炉，取出烟炱，以备抽提分离。

此方法使用现有的冶金真空自耗电极电弧炉，只做少量技术改装，设备投资少。制备富勒烯烟炱的高纯石墨电极可根据电炉的容量设计，一般直径可达30-80mm，长度可达300-800mm，短时间内（10-30分钟）即可蒸发完毕，一次可以制备公斤级的含富勒烯C₆₀/C₇₀产品的烟炱，可见此法成本低效率高，为富勒烯C₆₀/C₇₀产品走向实际应用奠定了基础。

附图说明：

冶炼真空自耗电极电弧炉示意图中

1.电流导线;  2.水冷电极杆;

3.真空室;  4.紧固夹套

5.过渡电极;  6.真空系统接口;

7.石墨电极（上）;  8.石墨电极（下）;

9.结晶器;  10.结晶器水冷外套;

11.冷却水进出口

实施例：

用国产高纯石墨加工成φ40mm×600mm的上电极，φ80mm×300mm的下电极，置于500kg的真空自耗电极电弧炉内，将真空抽至1.33×10^-5pa，然后充入国产高纯氦气，气压为1×10⁴-5×10⁵pa。通电起弧后电流控制至6000A左右，电压约40V，大约10分钟电极蒸发完毕，停炉。烟炱沉积在水冷结晶器内壁。冷却后取出烟炱，经抽提、恒重，C₆₀/C₇₀的产额为4-5%。用大型质谱（VG>60与C₇₀的比值约为8∶1。