专利名称：纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备的制作方法
技术领域：
本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备属于新材料合成及加工工程技术范畴，主要涉及纳米材料、碳材料、信息材料等材料科学、煤炭科学、晶体学等领域。
目前，制备洋葱状富勒烯的方法很多。其中，采用在电子束辐照下由金属纳米微粒催化非晶态碳膜制备洋葱状富勒烯的方法可获得具有结构连续的、薄膜状的、或者是图案化的洋葱状富勒烯新型功能材料，该方法工艺简单可行，稳定性高、重复性好，且能很好地控制洋葱状富勒烯的形核位置、长大过程、接合状态等。但在制备时需将金属纳米微粒配置在非晶态碳膜上，由于非晶态碳膜的不稳定性，使得制备过程的成功率不是很高。此外，非晶态碳膜和金属纳米微粒的制备成本较高，为宏量制备洋葱状富勒烯材料带来了困难。
本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备的目的是利用廉价的资源---煤炭，采用高能射线束的辐照技术，公开一种由纳米微粒催化形成的洋葱状富勒烯结构以及制备工艺。
本发明中的洋葱状富勒烯，是由以C60为核心的不同大小的壳多层包覆形成的间隔约为0.3nm-0.5nm的同心球形壳，单个或多个金属纳米微粒被包容在洋葱状富勒烯空腔内。其特征在于A.是一种金属原子规则分布在洋葱状层与层之间形成的夹层化合物。B.是由单核富勒烯和多核富勒烯组成、且几个单核富勒烯可接合为多核巨大富勒烯的洋葱状富勒烯。C.是一种多个洋葱状富勒烯接合或堆积形成的具有互孪晶结构的富勒烯薄膜。D.洋葱状富勒烯既可由激活的纳米微粒催化形成，也可由纳米微粒在迁移过程中催化形成。
本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备的洋葱状富勒烯的制备方法，其特征在于是利用煤炭，以纳米微粒作为富勒烯形核的基础，将煤炭颗粒与纳米微粒混合，形成纳米微粒和煤炭的混合体，然后用高能射线束照射该混合体，在纳米微粒和高能射线束的共同作用下，煤炭在低温下转化为洋葱状富勒烯。其具体制备过程的步骤为A.对煤炭进行精洗、研磨、超声波分散，得到粒度为100nm-500nm的煤炭颗粒；活性炭可通过控制燃烧温度和气氛得到，并对其进行粉碎和超声波研磨，得到粒度为50nm-300nm的活性炭颗粒。B.由Ar+离子弧溅射法或激发电子吸收法得到单个或多个1nm-100nm的金属纳米微粒或金属氧化物纳米微粒；C.将煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒混合，得到煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒的混合体；D.用照射强度足以激活煤炭颗粒或活性炭颗粒的高能射线束对上述混合体进行辐照，照射时采用保护气氛，经过100s后，生成单核或多核洋葱状富勒烯；E.对已生成的洋葱状富勒烯继续进行高能射线束的辐照，纳米微粒逐渐从洋葱状富勒烯壳中迁出，单核洋葱状富勒烯接合成多核洋葱状富勒烯，辐照1000s后，洋葱状富勒烯接合或堆积成具有互孪晶结构结构的富勒烯薄膜。
本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备的洋葱状富勒烯的制备方法，其特征在于是所述的纳米微粒包括纯金属纳米微粒Al、Cu、Mn、Mo、Ni、Pt、Fe、Co、La、W和金属氧化物纳米微粒LaO、Al2O3、Mo2O5、TiO3。
本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备的洋葱状富勒烯的制备方法，其特征在于是所述的煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒的混合方式包括煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒接合、煤炭颗粒或活性炭颗粒将纳米微粒堆埋、煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒规则配置等见附图1。
本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备的洋葱状富勒烯的制备方法，其特征在于是所述的高能射线是电子束、离子束等，照射强度为1019e/cm2·s-1023e/cm2·s，照射时间为50s-2000s，照射时的气氛为10-4Pa以上的真空、N2、Ar惰性气体，其作用是激活纳米微粒，促进洋葱状富勒烯的形核、长大。
本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备，其优点在于是可利用廉价的煤炭资源，根据纳米微粒与煤炭颗粒或活性炭颗粒的配置位置、尺寸、种类，调整高能射线的照射强度、照射时间、照射时的气氛等工艺参数，控制洋葱状富勒烯的形核位置、长大过程及接合状态，得到具有所要求性能的洋葱状富勒烯材料。这为更广泛地利用煤炭资源、更有效地进行煤炭的功能转化提供了可能。
本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备所得的洋葱状富勒烯，其用途在于可利用洋葱状富勒烯的接合特性、导电性、量子力学效应(量子阱、微能带等)等重要性能，用作为特殊性能要求的电子元件、过滤器件、传感器件等设备器件的材料、超导材料、生物材料、医用材料、新型激光材料、非线性光学材料、信息存储材料、光电材料、催化剂材料、废水、废气净化材料等新型功能材料，应用范围十分广阔，应用前景十分看好。
[附图1]煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒混合方式示意图[附图2]夹层化合物示意图[附图3]纳米微粒被包容的洋葱状富勒烯示意图[附图4]多个洋葱状富勒烯接合形成的洋葱状富勒烯薄膜材料示意图符号说明(1)煤炭颗粒(2)活性炭颗粒(3)纳米微粒(4)夹层化合物(5)纳米微粒从洋葱状富勒烯壳中的迁出(6)单核洋葱状富勒烯形成的多核洋葱状富勒烯薄膜实施例1在金属微栅网上放置微量粒度为500nm的煤炭颗粒和直径为100nm的Al微粒，将其置于真空室内的室温载物台上，以加速电压3.5Kv，射束电流0.3mA的氩离子束照射金属微栅网，照射时的气氛为1×10-3Pa的真空(含氩气)。在氩离子束的照射下，煤炭颗粒可以和Al微粒接合，也可以将Al微粒堆埋，得到煤炭颗粒和Al微粒的混合体。将该混合体移至JEM-2010电子显微镜真空室内的室温载物台上，在1×10-3Pa的真空条件下，用强度为1×1019e/cm2.s的电子束，从金属微栅网上方对混合体进行照射，同时对其进行TEM动态观察。300s开始出现富勒烯，富勒烯有单核和多核两种，这是一种夹层化合物，见附图2。900s后煤炭颗粒完全转化为洋葱状富勒烯，纳米微粒逐渐从洋葱状继续进行照射，1500s后，洋葱状富勒烯连接起来，形成洋葱状富勒薄膜烯材料，见附图4。实施例2在金属微栅网上放置微量粒度为100nm的煤炭颗粒，由氩离子溅射技术在煤炭颗粒上生成粒度为1nm的Pt纳米微粒，然后将其置于真空室内的室温载物台上，以加速电压3.5Kv，射束电流0.25mA的氩离子束照射金属微栅网，照射时的气氛为1×10-3Pa的真空(含氩气)。在氩离子束的照射下，煤炭颗粒和Pt微粒接合或将Pt微粒堆埋，得到煤炭颗粒和Pt微粒的混合体。将该混合体移至JEM-2010电子显微镜真空室内的室温载物台上，在1×10-3Pa的真空条件下，用强度为1×1023e/cm2.s的电子束，从金属微栅网上方对混合体进行照射，同时对其进行TEM动态观察。100s开始出现富勒烯，700s后煤炭颗粒完全转化为洋葱状富勒烯。继续进行照射，1100s后，洋葱状富勒烯连接起来，形成洋葱状富勒烯薄膜材料。实施例3在金属微栅网上放置微量粒度为50nm的活性炭颗粒和直径为20nm的Al微粒，将其置于真空室内的室温载物台上，以加速电压3.5Kv，射束电流0.3mA的氩离子束照射金属微栅网，照射时的气氛为1×10-3Pa的真空(含氩气)。在氩离子束的照射下，活性炭颗粒可以和Al微粒接合，也可以将Al微粒堆埋，得到活性炭颗粒和Al微粒的混合体。将该混合体移至JEM-2010电子显微镜真空室内的室温载物台上，在1×10-3Pa的真空条件下，用强度为1×1019e/cm2.s的电子束，从金属微栅网上方对混合体进行照射，同时对其进行TEM动态观察。100s开始出现富勒烯，750s后活性炭颗粒完全转化为洋葱状富勒烯。继续进行照射，1000s后，洋葱状富勒烯连接起来，形成洋葱状富勒烯材料。实施例4在金属微栅网上放置微量粒度为300nm的活性炭颗粒和直径为6nm的Pt微粒，将其置于真空室内的室温载物台上，以加速电压3.0Kv，射束电流0.25mA的氩离子束照射金属微栅网，照射时的气氛为1×10-3Pa的真空(含氩气)。在氩离子束的照射下，活性炭颗粒可以和Pt微粒接合，也可以将Pt微粒堆埋，得到活性炭颗粒和Pt微粒的混合体。将该混合体移至JEM-2010电子显微镜真空室内的室温载物台上，在1×10-3Pa的真空条件下，用强度为1×1023e/cm2.s的电子束，从金属微栅网上方对混合体进行照射，同时对其进行TEM动态观察。150s开始出现富勒烯，800s后活性炭颗粒完全转化为洋葱状富勒烯。继续进行照射，1300s后，洋葱状富勒烯连接起来，形成洋葱状富勒烯材料。
权利要求
1.本发明纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备的洋葱状富勒烯是由以C60为核心的不同大小的壳多层包覆形成的间隔约为0.3nm-0.5nm的同心球形壳，单个或多个金属纳米微粒被包容在洋葱状富勒烯空腔内，其特征在于A.是一种金属原子规则分布在洋葱状层与层之间形成的夹层化合物，B.是由单核富勒烯和多核富勒烯组成、且几个单核富勒烯可接合为多核巨大富勒烯的洋葱状富勒烯，C.是一种多个洋葱状富勒烯接合或堆积形成的具有互孪晶结构的富勒烯薄膜，D.洋葱状富勒烯既可由激活的纳米微粒催化形成，也可由纳米微粒在迁移过程中催化形成。
2.按照权利1所述的洋葱状富勒烯的制备方法，其特征在于是利用煤炭，以纳米微粒作为富勒烯形核的基础，将煤炭颗粒与纳米微粒混合，形成煤炭颗粒与纳米微粒的混合体，然后用高能射线束照射该混合体，在纳米微粒和高能射线束的共同作用下，煤炭在低温下生成洋葱状富勒烯，其具体制备过程的步骤为A.对煤炭进行精洗、研磨、超声波分散，得到粒度为100nm-500nm的煤炭颗粒，活性炭可通过控制燃烧温度和气氛得到，并对其进行粉碎和超声波研磨，得到粒度为50nm-300nm的活性炭颗粒，B.由Ar+离子弧溅射法或激发电子吸收法得到单个或多个1nm-100nm的金属纳米微粒或金属氧化物纳米微粒，C.将煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒混合，得到煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒的混合体，D.用照射强度足以激活煤炭颗粒或活性炭颗粒的高能射线束对上述混合体进行辐照，照射时采用保护气氛，经过50s以后，可生成单核或多核洋葱状富勒烯，E.对已生成的洋葱状富勒烯继续进行高能射线束的辐照，纳米微粒逐渐从洋葱状富勒烯壳中迁出，单核洋葱状富勒烯接合成多核洋葱状富勒烯，1000s后，洋葱状富勒烯接合或堆积成具有互孪晶结构结构的富勒烯薄膜。
3.按照权利2所述的洋葱状富勒烯的制备方法，其特征在于是所述的纳米微粒包括纯金属纳米微粒Al、Cu、Mn、Mo、Ni、Pt、Fe、Co、La、W和金属氧化物纳米微粒LaO、Al2O3、Mo2O5、TiO3。
4.按照权利2所述的洋葱状富勒烯的制备方法，其特征在于是所述的煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒的混合方式包括煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒接合、煤炭颗粒或活性炭颗粒将纳米微粒堆埋、煤炭颗粒或活性炭颗粒与纳米微粒规则配置。
5.按照权利2所述的洋葱状富勒烯的制备方法，其特征在于是所述的高能射线束是电子束、离子束，照射强度为1019e/cm2·s-1023e/cm2·s，照射时间为50s-2000s，照射时的的保护气氛为10-4Pa以上的真空、N2、Ar惰性气体。
全文摘要
纳米微粒催化洋葱状富勒烯及制备属于新材料合成及加工工程技术范畴。是利用煤炭为原材料,采用高能射线辐照技术,公开一种新的洋葱状富勒烯结构及制备工艺。本发明的洋葱状富勒烯是金属原子规则分布在洋葱状层与层之间的夹层化合物,是由单核和多核富勒烯组成且几个单核富勒烯可接合为多核巨大富勒烯,是多个洋葱状富勒烯接合或堆积形成的具有互孪晶结构的富勒烯薄膜,洋葱状富勒烯可由激活的纳米微粒或由纳米微粒的迁移催化形成。主要用作功能材料。
文档编号C01B31/00GK1272452SQ0010146
公开日2000年11月8日 申请日期2000年1月20日 优先权日2000年1月20日
发明者许并社, 刘珍, 卫英慧, 贾虎生, 陆路, 谢克昌 申请人:太原理工大学