Способ интеркаляции кристаллов фуллерена c60 цезием

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к получению новых соединений путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Способ интеркаляции кристаллов фуллерена C₆₀ цезием проводят при температуре 650°С и давлении 10^-5 Па в течение 2 с при скорости нагрева до температуры реакции 350°C/с с последующим охлаждением продукта реакции до комнатной температуры со скоростью 500°С/с. Технический результат - проведение процесса интеркаляции кристаллов фуллерена С₆₀ цезием при высокой скорости нагрева без разрушения фуллерена. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к получению новых соединений путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Интеркаляты - это соединения включения (клатраты), образующиеся в результате обратимой реакции внедрения (интеркаляции) клатратов реагентов в межслоевое пространство кристаллических веществ со слоистым типом структуры. Веществом-«хозяином» в интеркалятах служит графит, фуллерен, сульфид серы и т.д., а «гостем» - атомы металла (щелочного, меди, серебра и др.), образующие дискретные двумерные слои, разделенные элементами структуры «хозяина». В ходе интеркаляции сохраняется целостность кристаллической структуры «хозяина», наблюдается лишь некоторое увеличение межслоевого расстояния и параметров решетки. Достоинство методов интеркаляции состоит в возможности направленной модификации кристаллической структуры с целью получения новых физических свойств, в частности сверхпроводящих.

Из уровня техники известен способ интеркаляции кристаллов фуллерена C₆₀ щелочными металлами (калий, рубидий, цезий) жидкофазным способом [Fleming R.M. et al. Relation of structure and superconducting transition temperatures in A₃C₆₀ Nature 1991; 352 (6338): 787-788], принятый за прототип. Способ осуществляют следующим образом. Кристаллы фуллерена погружают в расплав щелочного металла при температуре 100-150°C в инертной атмосфере или вакууме и выдерживают в расплаве от 2 часов до 3 суток. Затем кристаллы извлекают, без доступа воздуха проводят измерения магнитной восприимчивости в зависимости от температуры и делают вывод о возникновении сверхпроводящего перехода (определяют T_C). Недостатком указанного способа является невозможность проведения интеркаляции фуллерена при температурах порядка 600-700°C, при которых происходит сублимация молекул C₆₀ и даже их разрушение в указанном температурном интервале.

Техническая задача - проведение процесса интеркаляции кристаллов фуллерена C₆₀ щелочным металлом - цезием при температуре 650°C при высокой скорости нагрева без разрушения фуллерена.

Это достигается тем, что в способе интеркаляции кристаллов фуллерена C₆₀ цезием процесс интеркаляции кристаллов фуллерена C₆₀ цезием проводят при температуре 650°C и давлении 10^-5 Па в течение 2 с при скорости нагрева до температуры реакции 350°C/с с последующим охлаждением продукта реакции до комнатной температуры со скоростью 500°C/с. Сущность способа заключается в проведении быстропротекающих процессов интеркаляции, существенно опережающих процессы термического разрушения молекул фуллерена C₆₀, с последующим высокоскоростным охлаждением продукта реакции до комнатной температуры (закалка).

Способ осуществляют следующим образом. В кварцевую ампулу загружают механическую смесь порошкового фуллерена C₆₀ и интеркалята, в качестве которого используют щелочной металл цезий. Ампулы откачивают до давления 10^-5 Па. Процесс инициируют быстрым нагревом (350°C/с) смеси до температуры 650°C путем разогрева ампулы пламенем газовой горелки. Длительность протекания реакции в смеси составляет 2 с. Реакция в смеси визуально проявляется желто-красным свечением. Затем ампула с образцом извлекается из пламени горелки и охлаждается до комнатной температуры со скоростью 500°C/с. Полученные таким образом продукты реакции анализируют путем измерения температурной зависимости динамической магнитной восприимчивости χ(Т) в температурном интервале 4,2-300 К в переменном магнитном поле с амплитудой 0,1 Э и частотой 313 Гц.

Пример

Для осуществления интеркаляции фуллерена C₆₀ металлическим цезием в кварцевую ампулу с внутренним диаметром 8 мм, толщиной стенки 1 мм и длиной 100 мм помещали поликристаллический порошок фуллерена С₆₀ чистотой 99,9% и размером зерна 100 мкм. Затем в боксе в атмосфере аргона в ампулы помещали кусочки цезия в соотношении цезий/фуллерен 5/1. Затем проводили откачку ампулы вакуумным насосом до давления 10^-5 Па, после чего отпаивали. Длина ампулы после отпайки составляла 50 мм. Смесь цезия с фуллереном нагревали пламенем газовой горелки до температуры 650°C в течение 2 с. После этого ампулу быстро извлекали из пламени горелки и охлаждали до комнатной температуры со скоростью 500°C/с (закалка в воду). Качество продуктов реакции оценивали по результатам измерения температурных зависимостей динамической магнитной восприимчивости χ(Т) в температурном интервале 4,2-300 К в переменном магнитном поле амплитудой 0,1 Э и частотой 313 Гц.

Значение температуры сверхпроводящего перехода Т_C представлено на фиг.1. Видно, что эта температура составляет 33 К для образцов C₆₀/Cs. Это хорошо согласуется с литературными данными для Т_C для известного соединения Cs₃C₆₀.

Предлагаемый способ является эффективным методом проведения процесса интеркаляции кристаллов фуллерена C₆₀ цезием. Он позволяет проводить интеркаляцию кристаллов C₆₀ цезием при повышенных температурах (650°C) и существенно сократить время проведения процесса интеркаляции до 2 с. Процесс воспроизводим и не требует применения энергоемкого оборудования.

Способ интеркаляции кристаллов фуллерена С₆₀ цезием, отличающийся тем, что процесс интеркаляции кристаллов фуллерена С₆₀ цезием проводят при температуре 650°C и давлении 10^-5 Па в течение 2 с при скорости нагрева до температуры реакции 350°С/с с последующим охлаждением продукта реакции до комнатной температуры со скоростью 500°C/с.