115383-22-7 / 富勒烯的制備

據(jù)了解，富勒烯于1985年被發(fā)現(xiàn)，是單質(zhì)碳的一種同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯。目前，富勒烯與碳納米管、石墨烯已成為碳納米材料家族的3大代表。

富勒烯有許多獨(dú)特性質(zhì)：1）硬度比鉆石還硬；2）軔度（延展性）比鋼強(qiáng)100倍；3）導(dǎo)電性比銅強(qiáng)，重量只有銅的六分之一；4）它的成分是碳，所以可從廢棄物中提煉。將金屬嵌入富勒烯結(jié)構(gòu)中，又可以形成獨(dú)特的超導(dǎo)特性、順磁特性等。由于富勒烯具有完美的對(duì)稱結(jié)構(gòu)、在納米尺度范圍內(nèi)特殊的穩(wěn)定性，以及奇異的電子結(jié)構(gòu)，使其成為在許多高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大、不可替代的材料，被業(yè)界稱為“納米王子”，在生物醫(yī)藥、新能源、新材料、催化劑、電子學(xué)等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。

1971年，大澤映二發(fā)表《芳香性》一書，其中描述了C60分子的設(shè)想。

1980年，飯島澄男在分析碳膜的透射電子顯微鏡圖時(shí)發(fā)現(xiàn)同心圓結(jié)構(gòu)，就像切開的洋蔥，這是C60的第一個(gè)電子顯微鏡圖。 1983年，克羅托蒸發(fā)石墨棒產(chǎn)生的碳灰的紫外可見光譜中發(fā)現(xiàn)215nm和265nm的吸收峰，他們稱之為"駝峰"，后來他們推斷這是富勒烯產(chǎn)生的。

1984年，富勒烯的第一個(gè)光譜證據(jù)是在1984年由美國(guó)新澤西州的艾克森實(shí)驗(yàn)室的羅芬等人發(fā)現(xiàn)的，但是他們不認(rèn)為這是C60等團(tuán)簇產(chǎn)生的。

1985年，英國(guó)化學(xué)家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國(guó)科學(xué)家理查德·斯莫利等人在氦氣流中以激光汽化蒸發(fā)石墨實(shí)驗(yàn)中首次制得由60個(gè)碳組成的碳原子簇結(jié)構(gòu)分子C60，并推測(cè)這個(gè)團(tuán)簇是球狀結(jié)構(gòu)。自Kroto等發(fā)現(xiàn)富勒烯以來，富勒烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能（熱穩(wěn)定性、抗氧化性和抗酸蝕性等）引起了科學(xué)界的普遍關(guān)注。

1990年，克利斯莫(Kriischmer)等人第一次報(bào)道了大量合成C60的方法，才使得C60的研究得以大量展開。

1991年，加州大學(xué)洛杉磯分校的霍金斯(Joel Hawkins)得到了富勒烯衍生物的第一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，標(biāo)志著富勒烯結(jié)構(gòu)被準(zhǔn)確測(cè)定。

1995年，伍德(Fred Wudl)制備出開孔富勒烯；而PCBM也被他首次制備。

1996年，羅伯特·科爾(美)、哈羅德·沃特爾·克羅托(英)和理查德·斯莫利(美)因富勒烯的發(fā)現(xiàn)獲諾貝爾獎(jiǎng)。

大量低成本地制備高純度的富勒烯是富勒烯研究的基礎(chǔ)，克利斯莫等人在1990年首次采用電阻加熱法大量合成C₆₀為富勒烯的合成開辟了道路。此后，研究人員為提高富勒烯的產(chǎn)率，不斷改進(jìn)工藝技術(shù)，各種制備方法不斷涌現(xiàn)。目前較為成熟且常用的富勒烯制備方法有：電弧石墨蒸發(fā)法、太陽能石墨蒸發(fā)法和火焰燃燒法。

一般將電弧室抽成高真空，然后通入惰性氣體如氦氣。電弧室中安置有制備富勒烯的陰極和陽極，電極陰極材料通常為光譜級(jí)石墨棒，陽極材料一般為石墨棒，通常在陽極電極中添加銖、鎳、銅或碳化鎢等作為催化劑。當(dāng)兩根高純石墨電極靠近進(jìn)行電弧放電時(shí)，炭棒氣化形成等離子體，在惰性氣氛下小碳分子經(jīng)多次碰撞、合并、閉合而形成穩(wěn)定的C60及高炭富勒烯分子，它們存在于大量顆粒狀煙灰中，沉積在反應(yīng)器內(nèi)壁上，收集煙灰提取。電弧石墨蒸發(fā)法制備富勒烯不產(chǎn)生有毒有害產(chǎn)物，但是成本高，非常耗電，是實(shí)驗(yàn)室中合成富勒烯常用的方法之一。

太陽能蒸發(fā)法是采用聚焦太陽光作為加熱方式，在氦氣氣氛下直接蒸發(fā)石墨制備富勒烯的方法。在溫度達(dá)到3000K時(shí)，可使富勒烯產(chǎn)率達(dá)到20%。采用聚焦太陽光蒸發(fā)石墨的方法避免了紫外線輻射對(duì)富勒烯結(jié)構(gòu)的光化學(xué)破壞作用，并使得碳蒸氣到達(dá)緩冷區(qū)之前不會(huì)凝結(jié)成碳?jí)K，提高了富勒烯的產(chǎn)率，解決了電弧石墨蒸發(fā)法和等離子體石墨蒸發(fā)法產(chǎn)量低的問題。

燃燒法是工業(yè)中制備富勒烯的主要方法。火焰燃燒法主要是將預(yù)先混好的苯、甲苯蒸氣和氧氣經(jīng)氬氣稀釋后，引入低壓（約5.32kPa）燃燒室內(nèi)不完全燃燒，得到含C60和C70的煙炱，將煙炱分離提純后可得到純度為99.9%的C60?；鹧嫒紵ㄖ懈焕障┥伤璧哪芰渴怯扇紵旧磲尫诺臒崃刻峁?，通過調(diào)整壓強(qiáng)、氣體比例能夠在較大范圍內(nèi)控制產(chǎn)物分布，且具有操作簡(jiǎn)單、連續(xù)進(jìn)料容易、不消耗電力等優(yōu)點(diǎn)。因此該方法已經(jīng)成為工業(yè)化生產(chǎn)富勒烯的主流方法。