含铒金属富勒烯的优化合成及其微纳米结构研究

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内嵌金属富勒烯(Endohedral Metal Fullerenes,EMFs)是在富勒烯的碳笼内嵌入金属原子、金属团簇所形成的特殊化合物。相较于C60、C70等空心富勒烯,EMFs由于其特殊的结构和良好的光电性质受到越来越多的关注。在金属富勒烯的大家族中,铒(Er)金属富勒烯的研究相对较少。本文通过电弧放电法制备内嵌Er金属富勒烯,探索优化合成方法,并将内嵌Er金属富勒烯自组装成微纳米结构,显示出优良的光电性质。主要研究内容及成果如下:(1)探索出利用CS2作为溶剂并反复提取原灰能显著提升内嵌Er金属富勒烯的产率,在此基础上成功优化了单一组分Er3N@C80和Er2@C82的合成条件。Er3N@C80的最佳合成条件为:Er/C摩尔比1:9、制备电流110A、制备电压30V、炉内气氛20He+3N2(kPa);Er2@C82的最佳合成条件为:Er/C摩尔比1:6、制备电流115A、制备电压30V、炉内气氛25He(kPa);分别对Er3N@C80和Er2@C82的绝对产率进行比较得出:最佳合成条件下制备Er3N@C80和Er2@C82的产率为一般条件下的3倍和2.6倍,极大的提升了内嵌Er金属富勒烯的产率。(2)通过高效液相色谱多阶段分离法得到三种新型Er金属富勒烯:Er3N@Ih-C80、Er3N@D5h-C80和Er2@Cs-C82。采用液液界面沉积(LLIP)法制备了内嵌Er金属富勒烯的自组装微纳米结构,并成功得到表面光滑、大小均一、尺寸为300-400nm的立方体形貌。此外,当前金属富勒烯的自组装微纳米结构的研究仅局限于Sc3N@C80、Lu2@C82、Ga@C82等,本文通过SEM、XRD和TEM测试对Er3N@C80和Er2@C82纳米立方体结构进行表征,证实其为立方晶系中的简单立方结构。通过紫外光谱测试立方体结构的光吸收性质,发现可见光区和近红外区的吸收强度相比原始金属富勒烯有大幅提升,将在未来光电转化领域有潜在应用。
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