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润滑油知识

富勒烯的制备与提纯


富勒烯的制备与提纯

制备


大量低成本地制备高纯度的富勒烯是富勒烯研究的基础,自从克罗托发现C60以来,人们发展了许多种富勒烯的制备方法。目前较为成熟的富勒烯的制备方法主要有电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。 [2] 
  • 电弧法
一般将电弧室抽成高真空,然后通入惰性气体如氦气。电弧室中安置有制备富勒烯的阴极和阳极,电极阴极材料通常为光谱级石墨棒,阳极材料一般为石墨棒,通常在阳极电极中添加铁、镍、铜或碳化钨等作为催化剂。当两根高纯石墨电极靠近进行电弧放电时,炭棒气化形成等离子体,在惰性气氛下小碳分子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳定的C60及高炭富勒烯分子,它们存在于大量颗粒状烟灰中,沉积在反应器内壁上,收集烟灰提取。电弧法非常耗电、成本高,是实验室中制备空心富勒烯和金属富勒烯常用的方法。
  • 燃烧法
苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有C60和C70,通过调整压强、气体比例等可以控制C60与C70的比例,这是工业中生产富勒烯的主要方法。

提纯

富勒烯的纯化是一个获得无杂质富勒烯化合物的过程。制造富勒烯的粗产品,即烟灰中通常是以C60为主,C70为辅的混合物,还有一些同系物。决定富勒烯的价格和其实际应用的关键就是富勒烯的纯化。实验室常用的富勒烯提纯步骤是:从富含C60和C70的烟尘中先用甲苯索氏提取,然后纸漏斗过滤。蒸发溶剂后,剩下的部分(溶于甲苯的物质)用甲苯再溶解,再用氧化铝和活性碳混合的柱色谱粗提纯,第一个流出组分是紫色的C60溶液,第二个是红褐色的C70,此时粗分得到的C60或C70纯度不高,还需要用高效液相色谱来精分。
永田(Nagata)发明了一项富勒烯的公斤级纯化技术。该方法通过添加二氮杂二环到C60、C70等同系物的1、2、3-三甲基苯溶液中。DBU只会和C70以及更高级的同系物反应,并通过过滤分离反应产物,而富勒烯C60与DBU不反应,因此最后得到C60的纯净物;其他的胺化合物,如DABCO,不具备这种选择性。
C60可以与环糊精以1:2的比例形成配合物,而C70则不行,一种分离富勒烯的方法就是基于这个原理,通过S-S桥固定环糊精到金颗粒胶体,这种水溶性的金/环糊精的复合物[Au/CD]很稳定,与不水溶的烟灰在水中回流几天可以选择性地提取C60,而C70组分可以通过简单的过滤得到。将C60从[Au/CD] 复合物中分离是通过向环糊精水溶液加入对环糊精内腔具有高亲和力的金刚烷醇使得C60与[Au/CD] 复合物分离而实现C60的提纯,分离后通过向[Au/CD/ADA]的复合物中添加乙醇,再蒸馏,实现试剂的循环利用。50毫克[Au/CD]可以提取5毫克富勒烯C60。后两种方法都只停留在实验室阶段,并不实用。