富勒烯豌豆荚

豌豆荚 在发现 C60 后，单壁碳纳米管 (SWNT) 引起了相当大的兴趣。单壁碳纳米管提供了一个与外界条件隔离的空白空间。这个大的内部空间可以用不同的结构填充，分子可以通过去盖来引入。富勒烯是最适合封装的分子，因为它们的配合直径。这种包裹富勒烯的单壁碳纳米管被称为富勒烯豆荚。这种固体的物理性质强烈依赖于网络维数。由于富勒烯-豆荚具有混合网络维数，因此它们具有非常有趣的物理特性。通常它们是通过使用直径选择的纳米管作为豆荚合成的。高分辨率透射电子显微镜研究表明，纳米管内的高密度富勒烯链以宏观平均值填充了多达 60% 的 C60 分子。一个日本团队报告说，他们已经用金属富勒烯（包围金属原子的纯碳球）填充纳米管，希望找到一种控制纳米管特性的新方法。这项工作展示了一种利用管中开放空间的新方法，并可能获得对其特性的更多控制。名古屋大学的研究人员在纳米管内放置了含有钆原子的 C82 巴基球，这改变了巴基球的电子结构。封装 富勒烯、内嵌金属富勒烯或碱金属卤化物等几种分子已成功插入到单壁碳纳米管内部。内部填充结构可以改变或增强 SWCNT 的机械和电子特性，或者在相对较高的温度下处理时可以微调这些参数。德国乌尔姆大学的研究人员将重金属镝的单个原子捕获在由 82 个碳原子组成的空心富勒烯球中，并将一系列这些镝种子笼包围在单壁碳纳米管内，富勒烯将它们串起来纳米管形成豌豆。合成 SWCNT 内部研究最多的结构是 C60 富勒烯。所得材料称为 C60 豌豆荚。通过混合C60和SWCNT来进行填充。随后将混合物抽真空并加热至高于 C60 的升华点数天。豌豆荚合成需要对单壁碳纳米管进行热处理，将富勒烯在真空下密封在一起，但这种方法不能用于大规模生产。同样对于豆荚生产，未知的富勒烯是最不受欢迎的杂质。为了在一种典型的生产过程中去除 SWNT 中未知的富勒烯，在真空中加热烟灰，然后将不含富勒烯的烟灰在 H2O2 水溶液中回流以去除无定形碳颗粒。最后，将纯化的 SWNT 形成为黑色薄纸，然后在真空中干燥。由于氧化处理会破坏 SWNT 的帽盖，而 HCl 处理会增加壁上的缺陷，因此纯化的 SWNT 已经有足够数量的富勒烯入口。将 SWNT 纸放入装有富勒烯粉末（纯度为 99% 的 C60 和 C70 粉末作为富勒烯源）的石英安瓿中，然后将安瓿抽真空。干燥过程后，富勒烯粉末蒸发并在单壁碳纳米管纸上制成薄膜。安瓿密封并在炉中加热至 650 °C。在该温度下保持两小时后，将安瓿冷却至室温。单壁碳纳米管纸在甲苯中超声 1 小时以去除涂覆在单壁碳纳米管表面的富勒烯。过滤后得到一张豌豆纸。然后在真空中加热豌豆纸以除去甲苯。 样品制备 对于富勒烯豆荚的低温合成，商业 SWCNT 材料是通过电弧放电方法制备的，并使用重复的高温空气和酸洗处理进行纯化。初始纯度较低的 SWCNT 材料通过 H2O2 回流和 HCl 酸蚀刻的三次重复进行纯化。然后将材料过滤并在动态真空中脱气。可以采用与 SWCNT 纯化的有效管端开口副作用一致的两种填充方法。可以用其他富勒烯（包括金属富勒烯和簇富勒烯）填充 SWCNT。这种填充程序的成功再次与起始单壁碳纳米管的直径分布有关。填充方法 蒸汽填充 通过蒸汽填充从气相填充富勒烯包括在脱气并保持在略微升高的温度后将 SWCNT 材料与富勒烯密封在石英安瓿中。所得材料在甲苯中进行超声处理以去除未反应的富勒烯，过滤并在动态真空中从甲苯中干燥以去除未反应的富勒烯颗粒，而对豆荚没有可观察到的影响。溶剂填充 通过溶剂填充将富勒烯填充到正己烷中的 SWCNT 是通过将 SWCNT 材料与具有 C60 或 C70 的正己烷混合来实现的。必须将收到的 SWCNT 材料干燥以远离湿气。 SWCNT 的动态真空脱气对于溶剂填充至关重要，因为在水中冲洗会阻止任何进一步的溶剂填充，这可能是因为水进入了纳米管。 SWCNT、富勒烯和正己烷混合物经过超声处理，导致 C60 部分溶解。从 C60 溶液中，未溶解的 C60 和 SWCNT 混合物然后回流，过滤后的巴基纸在空气中干燥。用上述两种方法在甲苯中超声或通过动态真空处理去除未包封在巴克纸上的 C60。用途 富勒烯豆荚经过高温退火后可转变为双壁碳纳米管（DWCNT）结构。富勒烯结合成内部纳米管而不影响电子特性，但显着增强了管系统的机械性能。这种增强的机械稳定性使 DWCNT 成为未来电子产品、扫描探针显微镜探针、场发射设备等应用的有希望的候选者。据推测，当这种材料以更高的自旋浓度可用时，可能是量子计算的基本元素。将溶剂制备的豌豆转化为 DWCNT，其产率与蒸汽制备的材料相同，可用于生产高纯度和高度完美的工业 DWCNT。纳米管内的富勒烯可以被重压压缩，从而将分子封闭在中间，这些极端压力可以引发化学反应，使豆荚成为有效的高压釜。由于电子从金属富勒烯转移到碳纳米管，包围金属富勒烯的豆荚表现出带隙调制。这种豌豆荚已应用于具有新器件特性的场效应管。