CN109734074A - 一种内包金属氮化物簇富勒烯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内包金属氮化物簇富勒烯及其制备方法，在直流电弧炉腔体内通入空气，将空气作为氮源，对填充金属氧化物粉末和碳粉的阳极碳棒进行电弧烧蚀，得到原灰；对原灰进行分离，得到内包金属氮化物簇富勒烯。本发明在空气体系下制备内包金属氮化物簇富勒烯，空气的无成本性必然会降低内包金属氮化物簇富勒烯的制备成本，同时，无需对电弧炉腔体真空处理，无需清洗气路，极大提高制备效率；本发明制备方法最大的亮点是制备得到的内包金属氮化物簇富勒烯单位产量高，解决了低产这一长期制约内包金属氮化物簇富勒烯发展应用的难题。

Description

一种内包金属氮化物簇富勒烯及其制备方法

技术领域

本发明属于富勒烯制备领域，更具体地，涉及一种内包金属氮化物簇富勒烯及其制备方法。

背景技术

内包金属氮化物簇富勒烯，作为富勒烯家族里最早被发现的金属-碳杂化材料，其独特的结构和化学性质使得它在光电磁、生物、能源领域有着许多的潜在应用。目前制备富勒烯的方法有火焰燃烧法，化学合成法，激光烧蚀法，化学气相沉积法，直流电电弧放电法。以上方法中，只有直流电电弧放电法能适用于制备内包金属氮化物簇富勒烯，即在氦气和氮气体系下利用直流电电弧烧蚀填充有金属氧化物和碳粉的阳极碳棒从而得到含内包金属氮化物簇富勒烯原灰，经加热回流法提取、色谱分离得到内包金属氮化物簇富勒烯。实际上，内包金属氮化物簇富勒烯的分离步骤已经固定化，即高效液相色谱法，且分离过程并不影响内包金属氮化物簇富勒烯的产量。关键地，以单根碳棒制备内包金属氮化物簇富勒烯的过程为例，单根碳棒烧蚀所得的原灰中内包金属氮化物簇富勒烯的含量则直接决定了最后所能提取分离出的内包金属氮化物簇富勒烯的总量。

一直以来，大量的工作针对提升原灰中内包金属氮化物簇富勒烯含量展开，但是都未脱离传统的氦气氮气混合气体体系制备框架。例如：调控氦气氮气比例，电流大小，阳极碳棒中金属氧化物和碳粉比例。这些调控在一定程度上提高了内包金属氮化物簇富勒烯的产量，但外界环境的变动常常会使这些参数失效，没有一个普遍适用的最优条件；在传统体系下，单根碳棒内包金属氮化物簇富勒烯的绝对产量长期出于处于低水平，制备效率也因为制备环节步骤繁琐而难以提升，这些因素共同制约了内包金属氮化物簇富勒烯的应用和工业化生产。因此，消除这些因素的制约，实现内包金属氮化物簇富勒烯高产量的制备，是本领域亟需解决的难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种内包金属氮化物簇富勒烯及其制备方法，由此解决现有技术难以实现高产量、低成本、高效稳定制备内包金属氮化物簇富勒烯的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)在直流电弧炉腔体内通入空气，将空气作为氮源，对填充金属氧化物粉末和碳粉的阳极碳棒进行电弧烧蚀，得到原灰；

(2)对原灰进行分离，得到内包金属氮化物簇富勒烯。

进一步地，阳极碳棒内填充的金属氧化物粉末中金属原子和碳粉中碳原子的摩尔比为1∶3-1∶50。

进一步地，金属氧化物粉末中金属为钪、镱、镥、铒、钆、铽、钇、镝、镧、铥、钬、镨、铈和钕中的任意一种。

进一步地，电弧烧蚀过程中直流电弧炉的直流电流为90A-125A。

进一步地，步骤(1)中在直流电弧炉腔体内通入空气后，直流电弧炉腔体内气压为1万帕-5万帕。

进一步地，步骤(2)的具体实现方式为：

使用有机溶剂溶解原灰，得到混合溶液，将混合溶液过滤后，使用HPLC(高校液相色谱法)进行分离，得到内包金属氮化物簇富勒烯。

进一步地，步骤(2)还包括：在使用有机溶剂溶解原灰时，超声10分钟-180分钟。有机溶剂为二硫化碳、甲苯、氯苯、邻二氯苯或者1，2，4-三氯苯，优选为二硫化碳，二硫化碳价格低廉容易得到。

进一步地，步骤(2)还包括：使用HPLC进行分离，得到空心富勒烯，所述空心富勒烯包括：C₆₀、C₇₀、C₇₆、C₇₈、C₈₂和C₈₄。

进一步地，内包金属氮化物簇富勒烯为内包钪金属氮化物簇富勒烯、内包镱金属氮化物簇富勒烯、内包镥金属氮化物簇富勒烯、内包铒金属氮化物簇富勒烯、内包钆金属氮化物簇富勒烯、内包铽金属氮化物簇富勒烯、内包钇金属氮化物簇富勒烯、内包镝金属氮化物簇富勒烯、内包镧金属氮化物簇富勒烯、内包铥金属氮化物簇富勒烯、内包钬金属氮化物簇富勒烯、内包镨金属氮化物簇富勒烯、内包铈金属氮化物簇富勒烯和内包钕金属氮化物簇富勒烯中的任意一种。

按照本发明的另一方面，提供了一种内包金属氮化物簇富勒烯，所述内包金属氮化物簇富勒烯由本发明的制备方法制备得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)传统方法需要尽可能高的电弧炉内腔体的真空度，针对腔内真空处理步骤和气路清洗步骤需消耗大量时间，而本发明中，无需真空处理，无需清洗气路，省时高效。同时，空气的无成本性，较传统方法中昂贵的氦气和氮气相比，本发明制备成本极大降低。同时，空气体系下烧蚀碳棒后所得原灰中的内包金属氮化物簇富勒烯含量大幅提高；然后对原灰进行分离实现了高产量、低成本、高效稳定地制备内包金属氮化物簇富勒烯。

(2)传统方法制备原灰过程中，不可避免地弊端是每个电弧炉制备内包金属氮化物簇富勒烯的最优参数不统一。其制备过程中，对氮气和氦气的相对比例要求严苛，微小的偏差对最后的原灰中的内包金属氮化物簇富勒烯含量影响极大，同时，在最优条件参数下，不允许激发电弧所用的直流电电流发生偏差，不允许阳极碳棒中的金属粉末和碳粉的比例偏差，低容错率使得工业生产难以实现。而本发明中首创空气体系，其优越性在于无需考虑传统制备方法中的调控气体比例这一环节，允许直流电电流变化，也允许阳极碳棒中金属粉末和碳粉的比例变化，适用性极强的特点为工业生产提供了技术支撑。

(3)电弧烧蚀过程中，腔体内的气压过低会导致原灰中内包金属氮化物簇富勒烯的产率下降，气压过高会导致电弧炉腔体损坏，因此，本发明在电弧烧蚀过程中，腔体内的气压保持1万帕-5万帕之间，可以在不损坏电弧炉腔体的同时，提高原灰中内包金属氮化物簇富勒烯的产率。

(4)本发明中，烧蚀单根碳棒所得到的原灰里，能够提取出的内包金属氮化物簇富勒烯的绝对产量高，较传统制备方法里的最优条件下单根碳棒烧蚀所得的原灰中内包金属氮化物簇富勒烯绝对产量提升三倍以上，而且，提取出的包括空心富勒烯在内的富勒烯总量是传统方法最优条件下总量的一倍至多倍，更加巧妙地是，增加地部分绝大部分是内包金属氮化物簇富勒烯。

(5)本发明在使用有机溶剂溶解原灰时，超声提取，提取方法简单，相比耗时在24小时地传统回流加热提取法，极大提高提取效率。超声时间过短溶解效果差，超声时间过长可能会破坏原灰中内包金属氮化物簇富勒烯的结构，所以本发明超声10-180分钟，在不会破坏原灰中内包金属氮化物簇富勒烯的结构的同时，快速有效的溶解原灰。相比耗时在24小时地传统回流加热提取法，极大提高提取效率。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下烧蚀三根碳棒所取得的包含空心富勒烯和内包金属氮化物簇富勒烯的富勒烯溶质绝对质量对比图；

图2是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下得到的富勒烯组分对比HPLC图；

图3是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下所取得的内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀的HPLC图；

图4是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下所取得的内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀的质谱图；

如图5是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下烧蚀三根碳棒所得的全部内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀溶解在相同体积下有机溶剂的饱和溶液紫外光谱对比图；

图6是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下烧蚀三根碳棒所取得的主要组分空心富勒烯C₆₀，C₇₀，内包钪金属氮化物簇富勒Sc₃N@C₈₀的质量比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

传统方法制备内包金属氮化物簇富勒烯，采用高纯氮作为氮源，氦气为介质气体，往经过真空反复处理后的电弧炉腔体内通入一定比例的氮气和氦气两种混合气体，在混合气体体系下，采用直流电电弧烧蚀填充有金属氧化物和碳粉的阳极碳棒得到原灰，采用加热回流提取法，结合HPLC分离得到内包金属氮化物簇富勒烯，其存在三个问题：

第一，该体系下，最优制备参数中的两种气体比例、电流大小、填充混合物比例若在制备过程中出现误差，均会导致原灰中内包金属氮化物簇富勒烯含量急剧减少，且最优参数普遍适用性差。

第二，从经济角度考量，传统制备过程中氦气和氮气的大量消耗势必增加制备成本；腔体真空处理，清洗气路等步骤及耗时较长的回流提取法必然降低单位时间生产效率。

第三，传统方法下的内包金属氮化物簇富勒烯的单位产量通常较低。

这些因素共同制约了内包金属氮化物簇富勒烯的发展和应用。

基于传统制备方法的缺陷，本发明提供了一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，依次包括如下步骤：

(1)在直流电弧炉腔体内通入空气，将空气作为氮源，对填充金属氧化物粉末和碳粉的阳极碳棒进行电弧烧蚀，得到原灰；

(2)对原灰进行分离，得到内包金属氮化物簇富勒烯。

本发明实施例优选地，阳极碳棒内填充的金属氧化物粉末中金属原子和碳粉中碳原子的摩尔比为1∶3-1∶50。金属氧化物粉末和碳粉的粒径为200目-300目。金属氧化物粉末中金属为钪、镱、镥、铒、钆、铽、钇、镝、镧、铥、钬、镨、铈和钕中的任意一种。电弧烧蚀过程中直流电弧炉的直流电流为90A-125A。步骤(1)中在直流电弧炉腔体内通入空气后，直流电弧炉腔体内气压为1万帕-5万帕。

本发明实施例优选地，步骤(2)的具体实现方式为：

使用有机溶剂溶解原灰，超声10分钟-60分钟，得到混合溶液，有机溶剂为二硫化碳、甲苯、氯苯、邻二氯苯或者1，2，4-三氯苯，优选为二硫化碳，二硫化碳价格低廉容易得到。将混合溶液过滤后，使用HPLC进行分离，得到空心富勒烯和内包金属氮化物簇富勒烯。所述空心富勒烯包括：C₆₀、C₇₀、C₇₆、C₇₈、C₈₂和C₈₄。内包金属氮化物簇富勒烯为内包钪金属氮化物簇富勒烯、内包镱金属氮化物簇富勒烯、内包镥金属氮化物簇富勒烯、内包铒金属氮化物簇富勒烯、内包钆金属氮化物簇富勒烯、内包铽金属氮化物簇富勒烯、内包钇金属氮化物簇富勒烯、内包镝金属氮化物簇富勒烯、内包镧金属氮化物簇富勒烯、内包铥金属氮化物簇富勒烯、内包钬金属氮化物簇富勒烯、内包镨金属氮化物簇富勒烯、内包铈金属氮化物簇富勒烯和内包钕金属氮化物簇富勒烯中的任意一种。

由此可见，在本发明首创的空气体系下，直流电电弧烧蚀阳极碳棒得到原灰的过程中则直接去除了混合气体比例调控这一步骤，且允许激发电弧所用直流电大小变化，也允许填充混合物比例变化，具有普遍适用性，适合工业大规模生产；其次，空气的无成本性必然会降低内包金属氮化物簇富勒烯的制备成本，同时，无需对电弧炉腔体真空处理，无需清洗气路，结合耗时极短的超声提取法，极大提高制备效率；最后，采用本发明制备得到的内包金属氮化物簇富勒烯单位产量高。结合以上优点，本发明解决了低产这一长期制约内包金属氮化物簇富勒烯发展应用的痛点。

直流电电弧所烧蚀所用的阳极碳棒的制备的工艺路线如下：

以钪为例，将三氧化二钪和碳粉按照1∶3-1∶50的Sc/C摩尔比混合均匀后填入到碳棒中，然后放入管式炉中，在氩气保护下1000℃煅烧10小时。随后，即可作为阳极碳棒在直流电电弧中烧蚀。

实施例1

在空气体系下，对钪与碳的摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包钪金属氮化物簇富勒烯。

实施例2

在空气体系下，对铒与碳摩尔比1∶9混合所制备的碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为100A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声50分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包铒金属氮化物簇富勒烯。

实施例3

在空气体系下，对镥与碳摩尔比1∶15混合所制备的碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为105A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声60分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包镥金属氮化物簇富勒烯。

实施例4

在空气体系下，对钪与碳摩尔比1∶11混合所制备的碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为110A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用1，2，4-三氯苯溶解，超声70分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包钪金属氮化物簇富勒烯。

实施例5

在空气体系下，对钪与碳摩尔比1∶20混合所制备的碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用氯苯溶解，超声2小时，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包钪金属氮化物簇富勒烯。

实施例6

在空气体系下，对钪与碳摩尔比1∶50混合所制备的碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为120A，炉腔内通入空气至腔气压为5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用甲苯溶解，超声3小时。过滤得到滤液经HPLC分离，得到内包钪金属氮化物簇富勒烯。

实施例7

在空气体系下，对镱与碳摩尔比1∶3混合所制备的碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为90A，炉腔内通入空气至腔气压为1万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声10分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，过滤得到滤液经HPLC分离，得到内包镱金属氮化物簇富勒烯。

实施例8

在空气体系下，对钆与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包钆金属氮化物簇富勒烯。

实施例9

在空气体系下，对铽与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包铽金属氮化物簇富勒烯。

实施例10

在空气体系下，对钇与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包钇金属氮化物簇富勒烯。

实施例11

在空气体系下，对镝与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包镝金属氮化物簇富勒烯。

实施例12

在空气体系下，对镧与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包镧金属氮化物簇富勒烯。

实施例13

在空气体系下，对铥与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包铥金属氮化物簇富勒烯。

实施例14

在空气体系下，对钬与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包钬金属氮化物簇富勒烯。

实施例15

在空气体系下，对镨与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包镨金属氮化物簇富勒烯。

实施例16

在空气体系下，对铈与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包铈金属氮化物簇富勒烯。

实施例17

在空气体系下，对钕与碳摩尔比1∶5混合所制备的阳极碳棒采用直流电电弧烧蚀，电流大小为115A，电弧炉炉腔内通入空气至腔内气压为2.5万帕。阳极碳棒烧蚀完毕后，待冷却后收集原灰，采用二硫化碳溶解，超声30分钟，过滤得到滤液置换为甲苯，经HPLC分离，得到内包钕金属氮化物簇富勒烯。

每根碳棒烧蚀所得的原灰中内包金属氮化物簇富勒烯的含量直接决定了最终内包金属氮化物簇富勒烯绝对产量，原灰经有机溶剂提取，有机溶剂提取液在过滤后得到滤液，去除滤液中的溶剂，称量剩余富勒烯溶质的质量，多次称量取平均值，得到包含空心富勒烯各类金属富勒烯的富勒烯溶质绝对质量。

对照组为传统方法最优条件，在氦气氮气混合体系下，直流电电弧放电过程中，使用氮气提供氮源，氦气作为介质气体，氦气、氩气作为清洗气体。首先对电弧炉所有气路和电弧炉腔体进行清洗，采用持续通入氩气的方法，每次通入氩气至电弧炉腔体内气压在2万帕，保持一分钟后对电弧炉腔体抽真空，反复三次，接下来，采用氦气清洗电弧炉腔体和气路，同样通入氩气至电弧炉腔体内气压在2万帕，保持一分钟后对电弧炉腔体抽真空。其后，通入制备所需最优气氛，通入氦气2万帕后继续通入氮气0.5万帕，电弧炉腔体内气压达到2.5万帕，采用110A直流电激发电弧烧蚀阳极碳棒，阳极碳棒中三氧化二钪和碳粉中金属原子和碳原子摩尔比为1：17，烧蚀结束后收集原灰，对原灰进行分离提取。

如图1是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下烧蚀三根碳棒所取得的富勒烯溶质绝对质量对比，空气体系直流电电弧法得到的富勒烯溶质总质量远多余传统方法最优条件下所得到的富勒烯溶质总质量。

采用HPLC分析技术判断富勒烯溶质中所含富勒烯种类，如图2是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下富勒烯溶质主要组HPLC对比图，根据出峰时间一致，判断组分一致。接下来采用HPLC分离技术分离主要组分C₆₀，C₇₀，Sc₃N@C₈₀。HPLC技术结合质谱技术可以清晰的确定组分的纯度和富勒烯种类。

图3是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下所取得的内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀的HPLC图，从图中可以看出本发明的空气体系直流电电弧法制备得到Sc₃N@C₈₀的浓度明显高于传统方法。

图4是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下所取得的内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀的质谱图，质谱图显示分子质量为1108，由此判断空气体系直流电电弧法和传统方法均生成了内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀且纯度属于色谱纯。

通过紫外可见光吸收光谱技术，相同体积饱和溶液中相同溶质的绝对量多少差异反映在紫外吸收图谱上为纵坐标强度的高低差异，如图5是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下烧蚀三根碳棒所取得的内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀溶解在相同体积下有机溶剂的饱和溶液紫外光谱对比图，可以清晰的观察到空气体系直流电电弧法得到的内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀绝对量远多余传统方法下所得到内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀绝对量。

为了得到更直观的表达质量对比，如图6是本发明实施例1提供的空气体系直流电电弧法和传统方法最优条件下烧蚀三根碳棒所取得的主要组分空心富勒烯C₆₀，C₇₀，内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀的质量比较图，清晰的观察到空气体系直流电电弧法得到的内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀质量远多余传统方法最优条件下所得到内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀质量，且定向的，在多种富勒烯的溶质中仅对内包钪金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀的含量提升幅度提升三倍以上。

以钪为例，传统制备体系下电弧放电法制备的原灰中通常含有从C₆₀，C₇₀，C₇₆，C₇₈，C₈₄等空心富勒烯和Sc₃N@C₇₈，Sc₃N@C₈₀等内包金属氮化物簇富勒烯，内包金属氮化物簇富勒烯通产量通常远低于空心富勒烯，因此无法满足科研需求，更难以满足工业应用。其他内包金属铱，镥，铒氮化物簇富勒烯产量更是处于极低水平。而采用本发明，烧蚀碳棒所得原灰中同样含有从C₆₀，C₇₀，C₇₆，C₇₈，C₈₄等空心富勒烯和Sc₃N@C₇₈，Sc₃N@C₈₀等内包金属氮化物簇富勒烯，且在单根碳棒提供地碳源总量不变地情况下，针对性地大幅度提升内包金属氮化物簇富勒烯Sc₃N@C₈₀产量而不增加空心富勒烯地产量，同时，本发明适用于内包金属钪、镱、镥、铒、钆、铽、镝、镧、铥、钬、镨、铈、钕氮化物簇富勒，将能完全满足各科研对各种内包金属氮化物簇富勒烯需求，使工业化生产也成为可能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

(1)在直流电弧炉腔体内通入空气，将空气作为氮源，对填充金属氧化物粉末和碳粉的阳极碳棒进行电弧烧蚀，得到原灰；

(2)对原灰进行分离，得到内包金属氮化物簇富勒烯。

2.如权利要求1所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，所述阳极碳棒内填充的金属氧化物粉末中金属原子和碳粉中碳原子的摩尔比为1∶3-1∶50。

3.如权利要求1或2所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物粉末中金属为钪、镱、镥、铒、钆、铽、钇、镝、镧、铥、钬、镨、铈和钕中的任意一种。

4.如权利要求1或2所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，所述电弧烧蚀过程中直流电弧炉的直流电流为90A-125A。

5.如权利要求1或2所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中在直流电弧炉腔体内通入空气后，直流电弧炉腔体内气压为1万帕-5万帕。

6.如权利要求1或2所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体实现方式为：

使用有机溶剂溶解原灰，得到混合溶液，将混合溶液过滤后，使用HPLC进行分离，得到内包金属氮化物簇富勒烯。

7.如权利要求6所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：在使用有机溶剂溶解原灰时，超声10分钟-180分钟。

8.如权利要求6所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：使用HPLC进行分离，得到空心富勒烯，所述空心富勒烯包括：C₆₀、C₇₀、C₇₆、C₇₈、C₈₂和C₈₄。

9.如权利要求1或2所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法，其特征在于，所述内包金属氮化物簇富勒烯为内包钪金属氮化物簇富勒烯、内包镱金属氮化物簇富勒烯、内包镥金属氮化物簇富勒烯、内包铒金属氮化物簇富勒烯、内包钆金属氮化物簇富勒烯、内包铽金属氮化物簇富勒烯、内包钇金属氮化物簇富勒烯、内包镝金属氮化物簇富勒烯、内包镧金属氮化物簇富勒烯、内包铥金属氮化物簇富勒烯、内包钬金属氮化物簇富勒烯、内包镨金属氮化物簇富勒烯、内包铈金属氮化物簇富勒烯和内包钕金属氮化物簇富勒烯中的任意一种。

10.一种内包金属氮化物簇富勒烯，其特征在于，所述内包金属氮化物簇富勒烯由权利要求1-9任一所述的一种内包金属氮化物簇富勒烯的制备方法制备得到。