DE10301722B4

DE10301722B4 - Verfahren zur Herstellung endohedraler Fullerene

Info

Publication number: DE10301722B4
Application number: DE10301722A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr. Dunsch; Petra Georgi; Frank Ziegs; Heidi ZÖLLER
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: CN1671620A; AU2003250801A1; DE10393502D2; US20050232842A1; EP1523450A2; RU2004137099A; CN1671620B; DE10301722A1; JP4603358B2; WO2004016624A3; AU2003250801A8; WO2004016624A2; JP2005533745A

Abstract

Verfahren zur Herstellung endohedraler Fullerene in einem Lichtbogenreaktor durch Abbrennen von Graphitelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrennen in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die in einem Inertgas oder Inertgasgemisch eine aus mindestens zwei Elementen bestehende reaktive Gaskomponente enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung endohedraler Fullerene in einem Lichtbogenreaktor durch Abbrennen von Graphitelektroden.
Verfahren zur Herstellung endohedraler Fullerene in einem Lichtbogenreaktor durch Abbrennen von modifizierten Graphitelektroden sind bereits bekannt, wobei die Herstellung meist nach dem Krätschmer-Huffmann-Lichtbogenverfahren erfolgt.
Bei einem dieser Verfahren werden in einem Reaktor Kohlenstoff und Metalle oder seltene Erden unter Anwesenheit eines Edelgases verdampft, wobei im aufsteigenden Gas durch Abkühlung eine Sublimation des Kohlenstoffs und eine Kondensation des Metalls oder der seltenen Erden erfolgt, wobei auch endohedrale Fullerene entstehen ( DE 43 35 915 A1 ).
Zur Durchführung des Krätschmer-Huffmann-Lichtbogenverfahrens ist es auch bekannt, Graphit-Elektroden einzusetzen, die ein sauerstoffgetterndes Material enthalten, dessen Siedepunkt nur wenig vom Verdampfungspunkt des Graphits abweicht ( WO 98/00362 ). Damit wird ein höherer Fullerenertrag angestrebt.
Gemäß der US 6,303,760 B1 ist es bekannt, in einem Lichtbogenreaktor für das Krätschmer-Huffman-Lichtbogenverfahren Graphitelektroden, die mit einem oder mehreren Metallen modifiziert sind, in einer strömenden Heliumatmosphäre, die eine geringe Menge Stickstoff enthält, abzubrennen. Dabei werden endohedrale Metallfullerene des Typs A_3-nX_nN@C_m erzeugt. Die Ausbeute an endohedralen Metallfullerenen ist bei diesem Verfahren sehr gering; sie soll zwischen 3 bis 5% liegen (Stevenson, S. et al. Smallbandgap endohedral metallofullerenes in high yield and purity, Nature 401, 55–57 (1999)).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung endohedraler Fullerene in einem Lichtbogenreaktor durch Abbrennen von Graphitelektroden zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Fullerenausbeute wesentlich zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit dem in den Patentansprüchen dargestellten Verfahren gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrennen in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die in einem Inertgas oder Inertgasgemisch eine aus mindestens zwei Elementen bestehende reaktive Gaskomponente enthält.
Der Anteil der reaktive Gaskomponente kann dabei bis zu 60 Vol-% betragen. Vorzugsweise beträgt der Anteil 5 Vol-% bis 10 Vol-%.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine stickstoffhaltige oder eine kohlenstoffhaltige reaktive Gaskomponente verwendet, wie NH₃ oder CH₄ oder andere Kohlenwasserstoffe.
Die reaktive Gaskomponente kann dem Lichtbogenreaktor während des Abbrennens von außen zugeführt oder im Lichtbogenreaktor generiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Graphitelektroden eingesetzt werden, die mit Metall oder Metalloxiden modifiziert sind.
So können Graphitelektroden eingesetzt werden, die beispielsweise mit Holmium oder Scandium oder deren Oxide modifiziert sind.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch Graphitelektroden eingesetzt werden, die mit Metall oder Metalloxiden und einer stickstoffhaltigen Substanz modifiziert sind.
Zur Modifikation der Graphitelektroden mit einer stickstoffhaltigen Substanz kann insbesondere ein Metallcyanamid, vorzugsweise Calciumcyanamid oder Bleicyanamid, verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in vorteilhafter Weise eine sehr hohe Fullerenausbeute von 50 bis 95% an endohedralem M₃N-Cluster-Fulleren als Hauptprodukt erreicht. Das Verfahren ist mit geringem Aufwand und in einfacher Weise durchführbar und führt zu reproduzierbaren Ergebnissen.
Die auf diese Weise hergestellten Fullerene können beispielsweise als Kontrastmittel für medizinische Untersuchungen eingesetzt werden.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
In einem Lichtbogenreaktor werden mit Holmiummetall modifizierte Graphitelektroden in einem Gasgemisch, das eine reaktive Gaskomponente enthält, mit gepulstem Gleichstrom mit einer Stromstärke zwischen 75 A und 150 A abgebrannt. Die eingesetzten Graphitelektroden besitzen eine Zusammensetzung mit dem Verhältnis Graphit:Holmium von 1 Mol:0,4 Mol. Das Gasgemisch besteht aus He und NH₃, wobei das NH₃ die reaktive Komponente ist. Die Anteile im Gasgemisch sind 200 mbar He und 20 mbar NH₃.
Bei der Durchführung dieses Verfahrens entstehen endohedrale Holmiumnitrid-Cluster-Fullerene mit einer Ausbeute zwischen 85 und 95%.
Beispiel 2
In einem Lichtbogenreaktor werden mit Ho₂O₃ modifizierte Graphitelektroden in einem Gasgemisch, das eine reaktive Gaskomponente enthält, mit gepulstem Gleichstrom mit einer Stromstärke zwischen 75 A und 150 A abgebrannt. Die eingesetzten Graphitelektroden besitzen eine Zusammensetzung mit dem Verhältnis Graphit:M₂O₃ von 1 Mol:0,3 Mol. Das Gasgemisch besteht aus He und NH₃, wobei das NH₃ die reaktive Komponente ist. Die Anteile im Gasgemisch sind 200 mbar He und 20 mbar NH₃.
Bei der Durchführung dieses Verfahrens entstehen endohedrale Holmiumnitrid-Cluster-Fullerene mit einer Ausbeute um 60%.
Beispiel 3
In einem Lichtbogenreaktor werden mit Scandium und CaNCN modifizierte Graphitelektroden in einem Gasgemisch, das eine reaktive Gaskomponente enthält, mit gepulstem Gleichstrom mit einer Stromstärke zwischen 75 A und 150 A abgebrannt. Die eingesetzten Graphitelektroden besitzen eine Zusammensetzung mit dem Verhältnis Graphit:Scandium:CaNCN von 1 Mol:0,6 Mol:0,4 Mol. Das Gasgemisch besteht aus He und NH₃, wobei das NH₃ die reaktive Komponente ist. Die Anteile im Gasgemisch sind 200 mbar He und 10 mbar NH₃.
Bei der Durchführung dieses Verfahrens entstehen endohedrale Scandiumnitrid-Cluster-Fullerene mit einer Ausbeute zwischen 80 und 90%.
Beispiel 4
In einem Lichtbogenreaktor werden mit Ho₂O₃ und CaNCN modifizierte Graphitelektroden in einem Gasgemisch, das eine reaktive Gaskomponente enthält, mit gepulstem Gleichstrom mit einer Stromstärke zwischen 75 A und 150 A abgebrannt. Die eingesetzten Graphitelektroden besitzen eine Zusammensetzung mit dem Verhältnis Graphit:Ho₂O₃:CaNCN von 1 Mol:0,4 Mol:0,4 Mol. Das Gasgemisch besteht aus He und NH₃, wobei das NH₃ die reaktive Komponente ist. Die Anteile im Gasgemisch sind 200 mbar He und 10 mbar NH₃.
Bei der Durchführung dieses Verfahrens entstehen endohedrale Holmiumnitrid-Cluster-Fullerene mit einer Ausbeute zwischen 50 und 70%.
Beispiel 5
In einem Lichtbogenreaktor werden Graphitelektroden in einem Gasgemisch, das eine reaktive Gaskomponente enthält, mit gepulstem Gleichstrom mit einer Stromstärke von 175 A abgebrannt. Das Gasgemisch besteht aus He und CH₄, wobei das CH₄ die reaktive Komponente ist. Die Anteile im Gasgemisch sind 200 mbar He und 10 mbar CH₄.
Bei der Durchführung dieses Verfahrens entsteht CH₂@C₇₀ als Hauptkomponente der endohedralen Fullerene, wobei C₆₀ und C₇₀ den Hauptanteil des Gesamtfullerengehalts stellen.

Claims

Verfahren zur Herstellung endohedraler Fullerene in einem Lichtbogenreaktor durch Abbrennen von Graphitelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrennen in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die in einem Inertgas oder Inertgasgemisch eine aus mindestens zwei Elementen bestehende reaktive Gaskomponente enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas beziehungsweise das Inertgasgemisch bis zu 60 Vol-% der reaktiven Gaskomponente enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas beziehungsweise das Inertgasgemisch 5 Vol-% bis 10 Vol-% einer reaktiven Gaskomponente enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas beziehungsweise Inertgasgemisch eine stickstoffhaltige oder kohlenstoffhaltige reaktive Gaskomponente enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Gaskomponente aus NH₃ oder aus CH₄ oder anderen Kohlenwasserstoffen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Gaskomponente dem Lichtbogenreaktor während des Abbrennens von außen zugeführt oder im Lichtbogenreaktor generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Graphitelektroden eingesetzt werden, die mit Metall oder Metalloxiden modifiziert sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Graphitelektroden eingesetzt werden, die mit Holmium oder Scandium oder deren Oxide modifiziert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Graphitelektroden eingesetzt werden, die mit Metall oder Metalloxiden und einer stickstoffhaltigen Substanz modifiziert sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Graphitelektroden eingesetzt werden, die mit Metallcyanamid, vorzugsweise mit Calciumcyanamid oder Bleicyanamid, modifiziert sind.