Введение к работе
Актуальность темы. Фуллерен является новым, очень интересным объектом для исследования, с большими перспективами практического применения, поэтом}' актуальной является задача создания установки, повышающей его выход. Эта задача представляет собой один из основных путей существенного продвижения исследований этого нового класса веществ. К методам генерации фуллеренов относится термическое испарение графита в дуге, что позволяет получать около 1 г/ч Сбо и 0.1 г/ч С7о [1]. Однако, несмотря на то, что этот метод, предложенный Кретчмером, решил проблем}' генерации фуллеренов в препаративных количествах, дальнейший рост производительности сдерживался тем, что этот метод предусматривает вакуумирование камеры, с последующим созданием в ней гелиевой атмосферы (100 тор). Дуга, возникающая между электродами, имеет сравнительно малый размер, поэтом}7 испарение углерода с поверхности электродов происходит практически при одной температуре, а низкое, постоянное давление не обеспечивает хорошее охлаждение и быстрый отвод образовавшихся фуллеренов из области разряда, что приводит к их разрушению до осаждения на стенках водоохлаждаемой камеры.
Если фуллерен С6о изучен уже достаточно хорошо, то фуллерены с более высоким числом атомов, например С?о, имеют небольшой выход при существующих в настоящее время методиках производства и потом}' у ученых возникают трудности при их исследовании. Установки с высоким выходом С-,0 (до 70%) [2] не являются подходящими для препаративного синтеза фуллеренов. Поэтому, актуальность проведенной работы по созданию установки на основе углеродной плазменной струи килогерцового диапазона частот для генерации фуллеренов обусловлена необходимостью упростить процесс получения фуллеренов, а также найти условия синтеза, которые обеспечивали бы повышение доли Сю в образующемся углеродном конденсате, т.к. в широко используемом методе Кретчмера его процентный выход составляет 10% по отношению к общей массе фуллеренов, вследствие чего С-о на сегодняшний день является гораздо менее исследованным, чем Ceo- В установке, представленной в данной диссертационной работе, кинетика процесса образования фуллеренов смещена в сторону увеличения выхода Сто- Это происходит благодаря тощ7, что при осуществлении разряда кГц диапазона частот между двумя углеродными электродами формируется струя углеродной плазмы с температурой от 5000 К до 2000 К, а совмещение струи с потоком гелия и близость расположения водоохлаждаемых поверхностей обеспечивает хорошее охлаждение, образовавшихся продуктов синтеза.
Исследование полученных веществ спектроскопией в УФ, видимой и ИК областях, ЭПР-, масс-спектроскошш, электронной микроскопии методами и рентгенофазовым анализом позволяет полнее выявить и понять основные особенности процесса синтеза фуллеренов.
Актуальным также яв.ляется создание водорастворимых соединений фуллеренов, с точки зрения их использования в медицинских целях, как биологически активных веществ. *
Цель работы. Вследствие практической важности фуллеренов целью работы являлось создание плазмохимического реактора, позволяющего синтезировать фуллереновую смесь с высоким содержанием С?о и исследование возможностей и особенностей синтеза фуллеренов в струе углеродной плазмы. Исходя из вышеизложенного, в диссертащюнной работе были поставлены следующие задачи:
-
создание установки, которая обеспечила бы с одной стороны выход углеродного конденсата с высоким содержанием С7о, а с другой, дала бы возможность регистрировать различные параметры плазмы, при которых форміїруются определенные структуры углерода;
-
идентификация полученных продуктов синтеза различными физическими методами;
-
поиск путей синтеза непосредственно из фуллереновой смеси водорастворимых соединений и исследование их биологической активности.
Научная новизна. Впервые создана установка по получению фуллеренов на основе дуги кГц диапазона частот в плазмообразующем газе -материале центрального электрода (углерод), которая при атмосферном давлении (гелия) преобразуется в струю углеродной плазмы.
С целью аттестации установки проведены исследования полученных продуктов синтеза различными методами и обнаружены фуллерсны С6о, С-0, С77, С75, С80, С82, рентгеноаморфньш углерод и перекристаллизованный графит. Установлено количественное соотношение между С6о и С70, которое составляет 7/3.
Доказана биологическая активность, впервые полученного на основе синтезированных фуллеренов и ацетилацетона водорастворимого препарата.
Практическое значение работы. Для синтеза фуллереноЕ разработана и изготовлена установка на основе углеродной плазменной струи в потоке гелия. Содержание фуллереновой смеси в саже зависит от потока гелия и подводимой мощности и составляет от 4 % до 20 %. Синтез і разработанной нами установке отличается высоким выходом С?о Относительное содержание С6о/С7о в экстрагированной фуллереновой смей
составляет 7/3. Преимуществом установки также является и тот факт, что в ней для сшггеза не требуется пониженное давление, что значительно упрощает сам процесс производства. Синтез при более высоком давлении, чем давление, используемое в общепринятых установках (100-200 тор), приводит к большей вероятности столкновений частиц, т.е. способствует увеличению производительности установки. Решение задачи связанной с упрощением процесса производства и удешевлением способа синтеза способствует дальнейшему развитию исследований фуллеренов и их соединений спектроскопическими, ЭПР - методами, рентгенофазовым анализом и электронной микроскопией. Проведенные исследования послужили источником важной информации, необходимой для понимания процессов, происходящих в данном плазмохимическом реакторе, и позволили оптимизировать синтез фуллеренов. Полученные в диссертации результаты дают основание для вывода о достаточно широких возможностях плазмохимического реактора, который может быть использован для синтеза разнообразных фуллеренов. На защиту выносятся: 1. Схемное и конструктивное решение установки для получения фуллеренов на основе дуги килогерцевого диапазона частот, приводящей к формированию струи углеродной плазмы, совмещенной с потоком гелия. ,2. Результаты рентгенофазового анализа, спектроскопические исследования в УФ, видимой и ИК областях, ЭПР -, электронно-микроскопические и масс-спектральные исследования продуктов синтеза данной установки, которые доказали присутствие фуллеренов, рентгеноаморфной фазы углерода и перекристаллизованного графита.
-
Результаты определения, посредством методов спектроскопии в УФ и видимой области, ИК спектроскопии, а также путем, сравнения рентгеновских спектров, соотношения между Сбо и С:о, позволяющие судить о повышенном содержании С7о (30%) по сравнению с методом Кретчмера (10%).
-
Результаты исследований биологической активности водорастворимого соединения ацетилацетона с фуллереном.
Апробация работы: Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах (4 статьи, 16 тезисов и трудов) и докладывались на международной конференции "Редкоземельные металлы: переработка сырья, производство соединений и материалов на их основе" (Красноярск, 1995). XXI Съезде по спектроскопии (Москва, 1995), международной конференции "Теорій и практика процессов сольватащш и комплексообразования в смешанных растворителях" (Красноярск, 1996), межрегиональной конференции "Ультра дисперсные порошки, материалы и наноструктуры" (Красноярск, 1*996), III Международной конференции
«Фуллерены и атомные кластеры» (Санкт-Петербург, 1997), IV Межгосударственном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва), Международной зимней школе «Электронные свойства новых материалов. Прогресс в исследовании фуллеренов» (Австрия, Кнрхберг, 1998).
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных результатов. Содержание работы изложено на 79 страницах и включает 35 рисунков и 5 таблиц. Список использованной литературы содержит 62 наименование.
Похожие диссертации на Плазмохимический реактор для синтеза фуллеренов и исследование продуктов синтеза
