[发明专利]金属氮化物内嵌富勒烯及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金属氮化物内嵌富勒烯及其制备方法，该方法采用稳定金属氮化物作为氮源，与稀土金属粉和石墨粉混和后采用电弧放电法制备金属氮化物内嵌富勒烯，该方法使得金属氮化物内嵌富勒烯的产率相对于传统氮气气氛下的制备方法至少有1倍提高，并且具有普适性，能提高多种金属氮化物内嵌富勒烯的产率。并且该方法无需添加文献报道的有机氮化合物或硝酸基团来提高产量，避免了金属氮化物内嵌富勒烯的氧化，保证了金属氮化物内嵌富勒烯的纯度。本发明的技术将有利于内嵌富勒烯的产业化生产，解决内嵌金属富勒烯产率低的难题，推动内嵌富勒烯的研究和应用。

技术领域

本发明属于金属富勒烯的制备技术领域，具体而言，涉及一种金属氮化物内嵌富勒烯及其制备方法。

背景技术

富勒烯是由12个五元环和若干个六元环组成的中空笼状碳分子。二十世纪八十年代，科学家们首次发现富勒烯，它以独特的结构和物理化学特性引起了无数科学家的关注。近年来，内嵌金属富勒烯的发现不断丰富了富勒烯家族的种类，内嵌金属富勒烯结构更加新颖，性质更加多样。富勒烯及金属富勒烯的主要制备方法有：电子束辐照法，激光照射蒸发石墨法，电弧放电法等。在大量制备富勒烯和金属富勒烯时，应用范围最广泛的方法是电弧放电法。

在内嵌金属富勒烯家族中，金属氮化物内嵌富勒烯具有一些特殊优良性质，如稳定性高、优异的磁特性、量子特性、产率相对较高等。在科学研究领域，关于金属氮化物内嵌富勒烯优异性质的研究越来越多，它们在物理化学、材料、生物制药、能源等领域有着越来越多的应用前景，已成为一种重要的碳纳米材料。

例如，金属氮化物内嵌富勒烯Y₃N@C₈₀表现出适中的量子产率和长寿命的特性。通过变温稳态荧光光谱研究发现在60K以上，Y₃N@C₈₀表现出热响应延时荧光，在120K时达到最大发射并发生荧光增强。在60K以下，可以观测到磷光现象。进一步地，Y₃N@C₈₀可以和多种材料复合(如PFO)制成富勒烯薄膜器件，使OLED器件的发射范围拓展到红光范围成为可能。金属氮化物内嵌富勒烯Sc₃N@C₈₀是一种具有巨大发展潜力的热电材料。2016年，有研究团队利用扫描隧道显微镜观察到内嵌金属富勒烯Sc₃N@C₈₀与金电极相连制成的单分子异质结，研究表明其热能信号强度和量级很大程度上取决于分子取向和应用压力。与理论计算结果结合可知，Sc₃N@C₈₀是一种具有双热电性质的材料，展现了正向热电和负热电性质，证明了传输共振在分子异质结中的重要作用，推动了热电材料的丰富和发展。金属氮化物内嵌富勒烯M₃N@C₈₀在有机光伏器件中也发挥了其重要作用。金属富勒烯M₃N@C₈₀的衍生物可作为新型受体材料，它与给体材料聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)具有接近的LUMO能级，此特性能更好的利用激子激发能，大幅提高有机光伏器件的能量转换效率。

2009年，Ross及其同事构筑了Lu₃N@C₈₀-PCBH的有机光伏器件，它呈现了很高的开路电压(810mV)，这个效果要比C₆₀-PCBM提高了约4.2％的效率。金属氮化物内嵌富勒烯Gd₃N@C₈₀可作为一种高效的核磁造影剂，其效果甚至比许多其他类型的造影剂效果更好。Gd₃N@C₈₀有较高的磁性，将Gd₃N@C₈₀金属富勒烯嵌在一种核壳结构的清除活性氧淬灭能力的高分子胶粒中。拥有具有生物相容性的PEG外壳的Gd₃N@C₈₀纳米粒子也随之拥有较高的胶体稳定性。这类基于Gd₃N@C₈₀金属富勒烯的纳米粒子几乎没有副作用，且是一种非常高效的核磁共振成像造影剂，在肿瘤的诊断与肿瘤成像方面有重要应用。