Herstellung von Fullerenen
Eine neue Technik leere und endohedrale Fullerene herzustellen ist, im Gegensatz zum konventionellen Lichtbogenverfahren, das von uns entwickelte Hochfrequenzofen-Verfahren (HF-Verfahren). Dabei wird Strom in einen Verdampfungskörper induziert und dieser so erhitzt. Es ermöglicht die Kontrolle und Optimierung aller wichtigen experimentellen Parameter, wie z.B. die Temperatur des Verdampfungskörpers, der Druck in der Anlage und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases.
Besonders die Temperatur der Kohlenstoffquelle, welche beim Lichtbogen wesentlich höher als nötig und schlechter regelbar ist, kann beim HF-Verfahren über die Strommenge sehr exakt gesteuert und mit Hilfe eines Pyrometers überprüft werden. Dies ermöglicht es die Ausbeuten zu optimieren und die Zusammensetzung der Fullerene in den Rußen zu steuern.
Wichtig ist diese Kontrolle bei der Darstellung von endohedralen Fullerenen, welche Metalle mit niedrigen Schmelz- und Siedepunkten enthalten. Ein Beispiel hierfür ist Barium. Das Metall und das Dicarbid sind bei der Lichtbogentemperatur (T > 4000°C) sehr flüchtig.
Mit dem HF-Ofen ist es möglich den Kohlenstoff und das Metall bei verschiedenen Temperaturen gleichzeitig zu verdampfen. Der Kohlenstoff wird auf 2550°C in einem Heliumstrom (300 hPa, 400 l/h) geheizt. Die Bariumquelle wird durch räumliche Trennung bei 1800°C gehalten. Die Ausbeuten an extrahierbaren Fullerenen sind bis zu 20 Gewichtsprozent. Der Rohruss wird in zwei hintereinander geschalteten Kühlfallen gesammelt.
Trennung und Isolierung der Fullerene
Die Kühlfallen sind so gestaltet, daß sie anschließend direkt als Sublimationsvorlagen verwendet werden können. Dies gewährleistet eine Aufarbeitung der Proben unter Inertbedingungen.
Die Russe werden zunächst bei 500°C sublimiert, um einen Großteil des gebildeten C60 und C70 abzutrennen. Eine weitere Sublimation bei 750°C ergibt eine an höheren Fullerenen und endohedralen Fullerenen angereicherte Probe.
Diese Probe läßt sich anschließend mittels mehrstufiger Hochleistungschromatographie (HPLC) in die einzelnen Fullerene trennen. Dabei ist es sogar möglich die Fullerene isomerenrein zu erhalten.
Zur Trennung werden die handelsüblichen Säulen Buckyprep und Buckclutcher eingesetzt. Detektiert werden die Fullerene mit einem UV-Detektor.
Die Charakterisierung der reinen Fullerene erfolgt dann durch Massenspekroskopie, Vis-NIR-Spektroskopie, Raman, ESR, etc.
Verwendete Geräte
- Hochfrequenzgeneratoren
- Röhrenöfen
- Semipreparative HPLC
- UV-Detektoren (variabler Wellenlängendetektor, Diodenarraydetektor, RI-Detektor)
- MALDI-TOF Massenspektrometer
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