富勒烯及其多环芳烃的燃烧法合成和分离的研究.pdf

摘 要 摘 要 自从1985年C60发现以来，人们一直致力于富勒烯新物种的发现和表征，及 它们的物理和化学性质以及它们在各个领域的应用。对于具有独立五元环的富勒 烯如C60，C70等已经能够大量合成出来，而对于具有相邻五元环的非经典富勒烯 及其衍生物，由于它们非常不稳定，它们的合成分离和表征具有很大的挑战性。 目前主要是通过石墨电弧等离子体法通过内嵌或外接的方法，将它们稳定下来并 得到。可以说，由于合成的量太少制约着这类数目繁多的富勒烯物种被深入认识 和应用。C60等经典富勒烯是从石墨电弧法实现了宏量合成，火焰燃烧的方法则 实现了规模化生产。对于非经典富勒烯，如果能够通过燃烧的方法形成，那么就 可能实现大量生产。本工作对苯氧低压下火焰中富勒烯的形成进行了探索，希望 能够得到具有相邻五元环的非经典富勒烯。本文从玻璃燃烧装置的试制开始，在 苯氧扩散火焰中碳灰的合成，以及分离方面开展工作。 在自己试制的玻璃扩散燃烧装置上，进行苯氧低压扩散燃烧。多次的合成实 验的考验表明，本装置密封性好，燃烧过程稳定，能够小规模合成富勒烯，对燃 烧状况能够方便的观测和调整，在15．20To玎，苯蒸气流速为1．5U血n，02流速为 1．5．2L／min的条件下(c／O=1．5．3)，富勒烯能够生成。 富勒烯的分离，本文主要是通过Buck卿．M柱和C18柱进行分离的，对燃 烧产物具有不错的分离效果。 燃烧的产物主要是多环芳烃和富勒烯，这些多环芳烃具有16．34个碳原子， 获得了部分物质的质谱和光谱信息，它们主要是平面的结构，它们的质量数基本 遵循24／26规则，其中C32H14的结构得到了单晶表征，是由10个苯环组成的多环芳 烃，晶体的堆积类似于石墨。通过氯化方法能够将多环芳烃的分子组成准确的确 定下来，而且氯化多环芳烃具有很好的检测灵敏度。 燃烧产物中的富勒烯除了C60，C70外还包括C60的氢化物，衍生物等以及其它 的富勒烯。C64地经过质谱，色谱保留时间以及光谱表征，可以确定与电弧法得 到的C64H4是同一物种，整个分子呈C3，对称，具有三重相邻的五元环。C60的氢 物，具体的表征还需要深入进行。在燃烧产物中还有一类质量数在600．720之间 的物质，它们可能是一类重要的物种，对富勒烯的形成可能具有重要意义。一些 摘 要 特殊的物种，它们的质量数分别为824，878，932，只能得到它们的质谱信号， 可能是几种特殊的富勒烯，在以后的分离过程种需要引起关注。 本文中的非经典富勒烯是首次在火焰中发现，如果能够通过改善实验条件提 高它们在产物中的含量，就有希望实现大量合成。此外其它结构的非经典富勒烯 也完全有可能通过火焰法合成。这对非经典富勒烯的合成方法和规模化生产都具 有一定的指导意义。 对于富勒烯的形成过程，本文的实验证据支持热力学机理，即认为富勒烯的 形成在低温下是按照双分子的增加方式生长，在高温下主要是带状芳香聚合物按 照单分子的重组成笼以及笼状结构的去氢从而形成，一些氢化物是富勒烯形成的 中间体，在火焰的温度降低时碳灰粒子开始形成，碳灰和富勒烯具有相同的中间 体。 关键词：富勒烯；燃烧合成；形成机理；非经典富勒烯 Abstract Abstract Sincetlle iIll e肋rt to discoVe巧ofC60 985，tlle ofscientistshaveb咖deVotcd me andcharacterizationofnew discoVery speciesof如11er即es，硒wen私thephysical 锄dch锄ical and their inawide offields．The如llercnes propeniesapplicationsraIlge theisolated be inbulk