專利名稱：納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備屬于新材料合成及加工工程技術(shù)范疇，主要涉及納米材料、碳材料、信息材料等材料科學(xué)、煤炭科學(xué)、晶體學(xué)等領(lǐng)域。
目前，制備洋蔥狀富勒烯的方法很多。其中，采用在電子束輻照下由金屬納米微粒催化非晶態(tài)碳膜制備洋蔥狀富勒烯的方法可獲得具有結(jié)構(gòu)連續(xù)的、薄膜狀的、或者是圖案化的洋蔥狀富勒烯新型功能材料，該方法工藝簡單可行，穩(wěn)定性高、重復(fù)性好，且能很好地控制洋蔥狀富勒烯的形核位置、長大過程、接合狀態(tài)等。但在制備時需將金屬納米微粒配置在非晶態(tài)碳膜上，由于非晶態(tài)碳膜的不穩(wěn)定性，使得制備過程的成功率不是很高。此外，非晶態(tài)碳膜和金屬納米微粒的制備成本較高，為宏量制備洋蔥狀富勒烯材料帶來了困難。
本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備的目的是利用廉價的資源---煤炭，采用高能射線束的輻照技術(shù)，公開一種由納米微粒催化形成的洋蔥狀富勒烯結(jié)構(gòu)以及制備工藝。
本發(fā)明中的洋蔥狀富勒烯，是由以C60為核心的不同大小的殼多層包覆形成的間隔約為0.3nm-0.5nm的同心球形殼，單個或多個金屬納米微粒被包容在洋蔥狀富勒烯空腔內(nèi)。其特征在于A.是一種金屬原子規(guī)則分布在洋蔥狀層與層之間形成的夾層化合物。B.是由單核富勒烯和多核富勒烯組成、且?guī)讉€單核富勒烯可接合為多核巨大富勒烯的洋蔥狀富勒烯。C.是一種多個洋蔥狀富勒烯接合或堆積形成的具有互孿晶結(jié)構(gòu)的富勒烯薄膜。D.洋蔥狀富勒烯既可由激活的納米微粒催化形成，也可由納米微粒在遷移過程中催化形成。
本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備的洋蔥狀富勒烯的制備方法，其特征在于是利用煤炭，以納米微粒作為富勒烯形核的基礎(chǔ)，將煤炭顆粒與納米微粒混合，形成納米微粒和煤炭的混合體，然后用高能射線束照射該混合體，在納米微粒和高能射線束的共同作用下，煤炭在低溫下轉(zhuǎn)化為洋蔥狀富勒烯。其具體制備過程的步驟為A.對煤炭進(jìn)行精洗、研磨、超聲波分散，得到粒度為100nm-500nm的煤炭顆粒；活性炭可通過控制燃燒溫度和氣氛得到，并對其進(jìn)行粉碎和超聲波研磨，得到粒度為50nm-300nm的活性炭顆粒。B.由Ar+離子弧濺射法或激發(fā)電子吸收法得到單個或多個1nm-100nm的金屬納米微粒或金屬氧化物納米微粒；C.將煤炭顆粒或活性炭顆粒與納米微?；旌?，得到煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒與納米微粒的混合體；D.用照射強(qiáng)度足以激活煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒的高能射線束對上述混合體進(jìn)行輻照，照射時采用保護(hù)氣氛，經(jīng)過100s后，生成單核或多核洋蔥狀富勒烯；E.對已生成的洋蔥狀富勒烯繼續(xù)進(jìn)行高能射線束的輻照，納米微粒逐漸從洋蔥狀富勒烯殼中遷出，單核洋蔥狀富勒烯接合成多核洋蔥狀富勒烯，輻照1000s后，洋蔥狀富勒烯接合或堆積成具有互孿晶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的富勒烯薄膜。
本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備的洋蔥狀富勒烯的制備方法，其特征在于是所述的納米微粒包括純金屬納米微粒Al、Cu、Mn、Mo、Ni、Pt、Fe、Co、La、W和金屬氧化物納米微粒LaO、Al2O3、Mo2O5、TiO3。
本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備的洋蔥狀富勒烯的制備方法，其特征在于是所述的煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒與納米微粒的混合方式包括煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒與納米微粒接合、煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒將納米微粒堆埋、煤炭顆粒或活性炭顆粒與納米微粒規(guī)則配置等見附圖1。
本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備的洋蔥狀富勒烯的制備方法，其特征在于是所述的高能射線是電子束、離子束等，照射強(qiáng)度為1019e/cm2·s-1023e/cm2·s，照射時間為50s-2000s，照射時的氣氛為10-4Pa以上的真空、N2、Ar惰性氣體，其作用是激活納米微粒，促進(jìn)洋蔥狀富勒烯的形核、長大。
本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備，其優(yōu)點在于是可利用廉價的煤炭資源，根據(jù)納米微粒與煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒的配置位置、尺寸、種類，調(diào)整高能射線的照射強(qiáng)度、照射時間、照射時的氣氛等工藝參數(shù)，控制洋蔥狀富勒烯的形核位置、長大過程及接合狀態(tài)，得到具有所要求性能的洋蔥狀富勒烯材料。這為更廣泛地利用煤炭資源、更有效地進(jìn)行煤炭的功能轉(zhuǎn)化提供了可能。
本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備所得的洋蔥狀富勒烯，其用途在于可利用洋蔥狀富勒烯的接合特性、導(dǎo)電性、量子力學(xué)效應(yīng)(量子阱、微能帶等)等重要性能，用作為特殊性能要求的電子元件、過濾器件、傳感器件等設(shè)備器件的材料、超導(dǎo)材料、生物材料、醫(yī)用材料、新型激光材料、非線性光學(xué)材料、信息存儲材料、光電材料、催化劑材料、廢水、廢氣凈化材料等新型功能材料，應(yīng)用范圍十分廣闊，應(yīng)用前景十分看好。


[附圖1]煤炭顆粒或活性炭顆粒與納米微?；旌戏绞绞疽鈭D[附圖2]夾層化合物示意圖[附圖3]納米微粒被包容的洋蔥狀富勒烯示意圖[附圖4]多個洋蔥狀富勒烯接合形成的洋蔥狀富勒烯薄膜材料示意圖符號說明(1)煤炭顆粒(2)活性炭顆粒(3)納米微粒(4)夾層化合物(5)納米微粒從洋蔥狀富勒烯殼中的遷出(6)單核洋蔥狀富勒烯形成的多核洋蔥狀富勒烯薄膜實施例1在金屬微柵網(wǎng)上放置微量粒度為500nm的煤炭顆粒和直徑為100nm的Al微粒，將其置于真空室內(nèi)的室溫載物臺上，以加速電壓3.5Kv，射束電流0.3mA的氬離子束照射金屬微柵網(wǎng)，照射時的氣氛為1×10-3Pa的真空(含氬氣)。在氬離子束的照射下，煤炭顆?？梢院虯l微粒接合，也可以將Al微粒堆埋，得到煤炭顆粒和Al微粒的混合體。將該混合體移至JEM-2010電子顯微鏡真空室內(nèi)的室溫載物臺上，在1×10-3Pa的真空條件下，用強(qiáng)度為1×1019e/cm2.s的電子束，從金屬微柵網(wǎng)上方對混合體進(jìn)行照射，同時對其進(jìn)行TEM動態(tài)觀察。300s開始出現(xiàn)富勒烯，富勒烯有單核和多核兩種，這是一種夾層化合物，見附圖2。900s后煤炭顆粒完全轉(zhuǎn)化為洋蔥狀富勒烯，納米微粒逐漸從洋蔥狀繼續(xù)進(jìn)行照射，1500s后，洋蔥狀富勒烯連接起來，形成洋蔥狀富勒薄膜烯材料，見附圖4。實施例2在金屬微柵網(wǎng)上放置微量粒度為100nm的煤炭顆粒，由氬離子濺射技術(shù)在煤炭顆粒上生成粒度為1nm的Pt納米微粒，然后將其置于真空室內(nèi)的室溫載物臺上，以加速電壓3.5Kv，射束電流0.25mA的氬離子束照射金屬微柵網(wǎng)，照射時的氣氛為1×10-3Pa的真空(含氬氣)。在氬離子束的照射下，煤炭顆粒和Pt微粒接合或?qū)t微粒堆埋，得到煤炭顆粒和Pt微粒的混合體。將該混合體移至JEM-2010電子顯微鏡真空室內(nèi)的室溫載物臺上，在1×10-3Pa的真空條件下，用強(qiáng)度為1×1023e/cm2.s的電子束，從金屬微柵網(wǎng)上方對混合體進(jìn)行照射，同時對其進(jìn)行TEM動態(tài)觀察。100s開始出現(xiàn)富勒烯，700s后煤炭顆粒完全轉(zhuǎn)化為洋蔥狀富勒烯。繼續(xù)進(jìn)行照射，1100s后，洋蔥狀富勒烯連接起來，形成洋蔥狀富勒烯薄膜材料。實施例3在金屬微柵網(wǎng)上放置微量粒度為50nm的活性炭顆粒和直徑為20nm的Al微粒，將其置于真空室內(nèi)的室溫載物臺上，以加速電壓3.5Kv，射束電流0.3mA的氬離子束照射金屬微柵網(wǎng)，照射時的氣氛為1×10-3Pa的真空(含氬氣)。在氬離子束的照射下，活性炭顆?？梢院虯l微粒接合，也可以將Al微粒堆埋，得到活性炭顆粒和Al微粒的混合體。將該混合體移至JEM-2010電子顯微鏡真空室內(nèi)的室溫載物臺上，在1×10-3Pa的真空條件下，用強(qiáng)度為1×1019e/cm2.s的電子束，從金屬微柵網(wǎng)上方對混合體進(jìn)行照射，同時對其進(jìn)行TEM動態(tài)觀察。100s開始出現(xiàn)富勒烯，750s后活性炭顆粒完全轉(zhuǎn)化為洋蔥狀富勒烯。繼續(xù)進(jìn)行照射，1000s后，洋蔥狀富勒烯連接起來，形成洋蔥狀富勒烯材料。實施例4在金屬微柵網(wǎng)上放置微量粒度為300nm的活性炭顆粒和直徑為6nm的Pt微粒，將其置于真空室內(nèi)的室溫載物臺上，以加速電壓3.0Kv，射束電流0.25mA的氬離子束照射金屬微柵網(wǎng)，照射時的氣氛為1×10-3Pa的真空(含氬氣)。在氬離子束的照射下，活性炭顆?？梢院蚉t微粒接合，也可以將Pt微粒堆埋，得到活性炭顆粒和Pt微粒的混合體。將該混合體移至JEM-2010電子顯微鏡真空室內(nèi)的室溫載物臺上，在1×10-3Pa的真空條件下，用強(qiáng)度為1×1023e/cm2.s的電子束，從金屬微柵網(wǎng)上方對混合體進(jìn)行照射，同時對其進(jìn)行TEM動態(tài)觀察。150s開始出現(xiàn)富勒烯，800s后活性炭顆粒完全轉(zhuǎn)化為洋蔥狀富勒烯。繼續(xù)進(jìn)行照射，1300s后，洋蔥狀富勒烯連接起來，形成洋蔥狀富勒烯材料。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備的洋蔥狀富勒烯是由以C60為核心的不同大小的殼多層包覆形成的間隔約為0.3nm-0.5nm的同心球形殼，單個或多個金屬納米微粒被包容在洋蔥狀富勒烯空腔內(nèi)，其特征在于A.是一種金屬原子規(guī)則分布在洋蔥狀層與層之間形成的夾層化合物，B.是由單核富勒烯和多核富勒烯組成、且?guī)讉€單核富勒烯可接合為多核巨大富勒烯的洋蔥狀富勒烯，C.是一種多個洋蔥狀富勒烯接合或堆積形成的具有互孿晶結(jié)構(gòu)的富勒烯薄膜，D.洋蔥狀富勒烯既可由激活的納米微粒催化形成，也可由納米微粒在遷移過程中催化形成。
2.按照權(quán)利1所述的洋蔥狀富勒烯的制備方法，其特征在于是利用煤炭，以納米微粒作為富勒烯形核的基礎(chǔ)，將煤炭顆粒與納米微粒混合，形成煤炭顆粒與納米微粒的混合體，然后用高能射線束照射該混合體，在納米微粒和高能射線束的共同作用下，煤炭在低溫下生成洋蔥狀富勒烯，其具體制備過程的步驟為A.對煤炭進(jìn)行精洗、研磨、超聲波分散，得到粒度為100nm-500nm的煤炭顆粒，活性炭可通過控制燃燒溫度和氣氛得到，并對其進(jìn)行粉碎和超聲波研磨，得到粒度為50nm-300nm的活性炭顆粒，B.由Ar+離子弧濺射法或激發(fā)電子吸收法得到單個或多個1nm-100nm的金屬納米微?；蚪饘傺趸锛{米微粒，C.將煤炭顆粒或活性炭顆粒與納米微?；旌希玫矫禾款w?；蚧钚蕴款w粒與納米微粒的混合體，D.用照射強(qiáng)度足以激活煤炭顆粒或活性炭顆粒的高能射線束對上述混合體進(jìn)行輻照，照射時采用保護(hù)氣氛，經(jīng)過50s以后，可生成單核或多核洋蔥狀富勒烯，E.對已生成的洋蔥狀富勒烯繼續(xù)進(jìn)行高能射線束的輻照，納米微粒逐漸從洋蔥狀富勒烯殼中遷出，單核洋蔥狀富勒烯接合成多核洋蔥狀富勒烯，1000s后，洋蔥狀富勒烯接合或堆積成具有互孿晶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的富勒烯薄膜。
3.按照權(quán)利2所述的洋蔥狀富勒烯的制備方法，其特征在于是所述的納米微粒包括純金屬納米微粒Al、Cu、Mn、Mo、Ni、Pt、Fe、Co、La、W和金屬氧化物納米微粒LaO、Al2O3、Mo2O5、TiO3。
4.按照權(quán)利2所述的洋蔥狀富勒烯的制備方法，其特征在于是所述的煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒與納米微粒的混合方式包括煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒與納米微粒接合、煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒將納米微粒堆埋、煤炭顆?；蚧钚蕴款w粒與納米微粒規(guī)則配置。
5.按照權(quán)利2所述的洋蔥狀富勒烯的制備方法，其特征在于是所述的高能射線束是電子束、離子束，照射強(qiáng)度為1019e/cm2·s-1023e/cm2·s，照射時間為50s-2000s，照射時的的保護(hù)氣氛為10-4Pa以上的真空、N2、Ar惰性氣體。
全文摘要
納米微粒催化洋蔥狀富勒烯及制備屬于新材料合成及加工工程技術(shù)范疇。是利用煤炭為原材料,采用高能射線輻照技術(shù),公開一種新的洋蔥狀富勒烯結(jié)構(gòu)及制備工藝。本發(fā)明的洋蔥狀富勒烯是金屬原子規(guī)則分布在洋蔥狀層與層之間的夾層化合物,是由單核和多核富勒烯組成且?guī)讉€單核富勒烯可接合為多核巨大富勒烯,是多個洋蔥狀富勒烯接合或堆積形成的具有互孿晶結(jié)構(gòu)的富勒烯薄膜,洋蔥狀富勒烯可由激活的納米微?；蛴杉{米微粒的遷移催化形成。主要用作功能材料。
文檔編號C01B31/00GK1272452SQ0010146
公開日2000年11月8日 申請日期2000年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月20日
發(fā)明者許并社, 劉珍, 衛(wèi)英慧, 賈虎生, 陸路, 謝克昌 申請人:太原理工大學(xué)