[发明专利]一种内嵌钪氧化物团簇富勒烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料化学领域，具体涉及一种内嵌钪氧化物团簇富勒烯的制备方法。

背景技术

内嵌富勒烯是由富勒烯碳笼内部嵌入金属或非金属原子、金属原子团簇或各种小分子而形成的。由于碳笼内异原子的嵌入，大多数内嵌富勒烯的结构以及各种物理化学性质均与空心富勒烯明显不同。根据目前的相关实验结果，已经可以预期这类化合物在生物、医药、材料等领域均具有较广泛的应用前景。

制备内嵌富勒烯的主要方法有：离子注入法和电弧放电法。其中离子注入法制备内嵌富勒烯产量很低，很难放大制备规模。电弧放电法所需的实验装置比较简单，是目前制备内嵌富勒烯最为成熟和广泛应用的方法。一般用金属合金或金属氧化物与石墨粉混合制备阳极，以光谱纯石墨棒作为阴极，在通电以及He气氛的条件下两电极间产生高温电弧，阳极石墨和金属在高温条件下蒸发，从而生成内嵌富勒烯。在阳极中添加含氮或含硫化合物，或在气氛中添加氮源或硫源如少量N₂或SO₂则可以制备得到内嵌氮化物或硫化物团簇的富勒烯。

相比较而言，内嵌氧化物团簇富勒烯的制备则比较困难。研究人员曾尝试在反应器的He气氛中加入少量空气用于制备内嵌金属氧化物团簇富勒烯，但是由于空气中N₂含量最高，因此绝大部分产物为内嵌氮化物团簇富勒烯，而内嵌氧化物团簇富勒烯的选择性极低。另外，由于内嵌富勒烯在高温的条件下极易被氧气氧化，因此空气或氧气从来不是一种合适的氧源。到目前为止，针对内嵌氧化物团簇富勒烯还没有建立起一种有效或高选择性的制备方法，不利于相关研究的广泛开展。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种在惰性气体混合气氛中制备内嵌金属氧化物团簇富勒烯的有效方法，该方法简便易行，能够以较高的收率和选择性来合成目标产物——内嵌钪氧化物团簇富勒烯。

具体而言，本发明通过下列技术方案来实现：

一种内嵌钪氧化物团簇富勒烯的制备方法，其包括如下步骤：将配备电极的反应室抽成真空后，充入He/CO₂混合气氛，电极在He/CO₂混合气氛中进行电弧放电，以制备内嵌钪氧化物团簇富勒烯Sc₂OC_2n，其中n为35~46的整数。

优选的，在上述技术方案中，所述电极的阴极为光谱纯石墨棒，阳极为内填Sc₂O₃/石墨粉混合物的空心石墨棒，其中所述阳极在使用前在Ar气氛下于1000℃预处理10小时，所述Sc₂O₃/石墨粉混合物中Sc₂O₃与石墨粉的摩尔比为1:18~23。

优选的，在上述技术方案中，所述配备电极的反应室为真空电弧炉。

优选的，在上述技术方案中，所述He/CO₂混合气氛的压力为2.5~3.5×10⁴ Pa。

优选的，在上述技术方案中，所述He/CO₂混合气氛中CO₂的体积含量约为8~15%。

优选的，在上述技术方案中，所述电弧放电所用的电流为90~100 A。

优选的，在上述技术方案中，所述电极在进行电弧放电时的间距为5~10 mm。

优选的，在上述技术方案中，在所述电弧放电完成后，还包括对产物进行分离纯化的步骤：首先对所得的富含富勒烯的灰炱进行萃取，然后采用色谱法进行纯化。

优选的，在上述技术方案中，所述萃取使用索氏提取器，所用的溶剂为氯苯或邻二氯苯。

优选的，在上述技术方案中，所述色谱法为高效液相色谱法，所用的色谱柱为Buckyprep M柱，流动相为甲苯，流速为10 ml/min，检测波长为330 nm。

由于上述技术方案的运用，本发明提供的内嵌氧化物团簇富勒烯的制备方法与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明在传统电弧放电法的基础上，向He气氛中添加CO₂气体作为氧源，在合适的比例范围内可以大幅提高内嵌氧化物团簇富勒烯的产率，同时选择性地抑制了以空气作为氧源时的主要副产物内嵌氮化物团簇富勒烯的生成，工艺过程比较简单，可操作性强；

（2）通过本发明的合成方法可以实现多种内嵌氧化物团簇富勒烯的同批制备，极大地节约了生产时间，丰富了内嵌氧化物团簇富勒烯的种类，为后续的功能材料开发提供了更广阔的选择空间。

附图说明