制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解法

摘要

制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解法，属于新材料合成及加工工程技术范畴。是采用催化热解技术，将二茂金属溶于有机溶剂，以液态的形式加入到反应区热解制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的制备工艺，内部金属颗粒在石墨壳层的保护下，可以避免环境的污染，主要用作功能材料。对内包金属颗粒洋葱状富勒烯的应用研究具有推动作用。

说明书

技术领域

本发明制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解法属于新材料合成及加工工程技术范畴，主要涉及纳米材料、碳功能材料、信息材料、磁性材料等材料科学以及物理、化学、医药科学等诸多领域。

背景技术

自洋葱状富勒烯发现以来，其特殊的物理、化学性能就成为科学界研究的热点。作为洋葱状富勒烯家族的一员，内包金属颗粒的洋葱状富勒烯的结构是最为特殊的，其内核是纳米级的金属颗粒，颗粒外层包覆有层数不等的石墨层。由于石墨壳层对内部金属材料有保护作用，可以避免氧化、酸化等环境污染，在超导、磁性和医药科学等领域显示出了巨大的潜在应用价值，这种包裹有金属颗粒洋葱状富勒烯自发现以来就一直是科学界的研究热点。但现行的离子束照射法只能制得微量的洋葱状富勒烯，而弧光放电法得到的产物虽然石墨化程度高，但是产品纯度不易控制，这些均不利于对其进行物理、化学性能的研究。而催化热解法能在较低的温度下宏量制备出具有较高石墨化程度的内包金属颗粒洋葱状富勒烯。目前科学界对催化热解法的研究主要集中在催化剂的选择和加入方式的改进上。因此研究者试图采用此法有效宏量地制备出内包有纳米金属颗粒洋葱状富勒烯。

发明内容

本发明制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解法目的在于，公开一种成本低，催化剂使用方便，条件易控的制备内包有纳米级金属颗粒的洋葱状富勒烯的技术方案。

本发明制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解法，其特征在于，是将二茂金属溶于有机溶剂，以液态的形式加入到反应区热解制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的方法，具体制备过程的工艺步骤为：

I.称取二茂金属粉末，溶于有机溶剂中，其二茂金属粉末与有机溶剂比例为1g∶50ml，在加热器上加热以充分溶解，配置成富含催化剂的溶液；

II.封闭石英管，通入氩气以排空石英管内的空气，加热至1273-1473K，保温0.5～1h；

III.将配置好的富含催化剂的溶液通过输液器以恒定的速度滴定，从入气口一端进入备好的石英管反应；

IV.溶液在石英管中汽化分解并被氩气流吹入炉内反应区进行反应，碳源由分解的有机溶剂和二茂金属共同提供，同时二茂金属分解出的金属颗粒作为催化剂，这些物质重新组合生成内包金属颗粒洋葱状富勒烯。

上述的一种制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解法，其特征在于所述的二茂金属粉末为二茂铁、二茂钴或二茂镍。

上述的一种制备内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解法，其特征在于所述的有机溶剂为环己烷C₆H₁₂或苯的溶剂。

本发明内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解制备法其优点在于：利用有机溶剂溶解催化剂二茂金属，使催化剂以液态的形式加入到反应室中，在降低成本的基础上实现了内包金属颗粒洋葱状富勒烯的宏量制备。此方法制备还具有简单快速、生成内包金属颗粒洋葱状富勒烯形状规整等优点，这为内包金属颗粒洋葱状富勒烯的应用提供了可能。

本发明内包金属颗粒洋葱状富勒烯的催化热解制备法，其用途在于可利用此法制备出宏量的、纯度较高的、颗粒均匀的内包金属洋葱状富勒烯。而内包金属颗粒洋葱状富勒烯具有润滑性、磁性、导电性、量子力学效应(量子阱、微能带等)等重要性能，成为能满足特殊性能要求的电子器件、传感器等设备器件的材料、超导材料、生物医用材料、新型激光材料、磁性材料、信息存储材料、光电材料、催化剂材料、废水、废气净化材料等新型功能材料，应用范围十分广阔，应用前景十分诱人。

附图说明

图1内包金属颗粒洋葱状富勒烯低倍形貌图

图2内包金属颗粒洋葱状富勒烯高倍形貌图

具体实施方式

实施方式1

称取二茂铁粉末1g，溶于50ml有机溶剂环己烷(C₆H₁₂)中，在加热器上加热以充分溶解，配置成富含催化剂的溶液。封闭石英管，通入氩气以排空石英管内的空气，加热至1273K，保温0.5h。将配置好的溶液通过输液器以恒定的速度滴定，从入气口一端进入石英管。溶液在石英管中汽化分解并被氩气流吹入炉内反应区进行反应，碳源由分解的环己烷和二茂铁共同提供，同时二茂铁分解出的铁颗粒作为催化剂，这些物质重新组合生成内包铁颗粒洋葱状富勒烯。待含二茂铁的环己烷消耗完毕后，使石英管在氩气流中冷却，从石英管出气端取出管内沉积的富含内包铁颗粒洋葱状富勒烯黑色产物。

实施方式2

称取二茂钴粉末2g，溶于100ml有机溶剂苯中，在加热器上加热以充分溶解，配置成富含催化剂的溶液。封闭石英管，通入氩气以排空石英管内的空气，加热至1273K，保温1h。将配置好的溶液通过输液器以恒定的速度滴定，从入气口一段进入反应室。溶液在反应室中汽化分解并被氩气流吹入炉内反应区进行反应，碳源由分解的苯和二茂钴共同提供，同时二茂钴分解出的钴颗粒作为催化剂，这些物质重新组合生成内包钴颗粒洋葱状富勒烯。待含二茂钴的苯消耗完毕后，使石英管在氩气流中冷却，从石英管出气端取出管内沉积的富含内包钴颗粒洋葱状富勒烯黑色产物。

实施方式3

称取二茂镍粉末1g，溶于50ml有机溶剂环己烷(C₆H₁₂)中，在加热器上加热以充分溶解，配置成富含催化剂的溶液。封闭石英管，通入氩气以排空石英管内的空气，加热至1273K，保温0.5h。将配置好的溶液通过输液器以恒定的速度滴定，从入气口一段进入反应室。溶液在反应室中汽化分解并被氩气流吹入炉内反应区进行反应，碳源由分解的环己烷和二茂镍共同提供，同时二茂镍分解出的镍颗粒作为催化剂，这些物质重新组合生成内包镍颗粒的洋葱状富勒烯。待含二茂镍的环己烷消耗完毕后，使石英管在氩气流中冷却，从石英管出气端取出管内沉积的富含内包镍颗粒洋葱状富勒烯黑色产物。

将石英管内的产物用研钵研磨后，取少许在乙醇中超声分散，将悬浮液滴在微栅铜网上，干燥后用H-800型透射电镜(TEM)及JEM-2010型高分辨透射电镜(HRTEM，加速电压为200kV，点分辨率为0.19nm)^*对其进行观察表征。发现有内包金属颗粒的纳米洋葱状富勒烯形成。