Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (3), 429-441.

Використання спектрів поглинання для ідентифікації ендометалофуллеренів



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.429

N. Y. Akhanova, D. V. Schur, N. A. Gavrylyuk, M. T. Gabdullin, N. S. Anikina, An. D. Zolotarenko, O. Ya. Krivushchenko, Ol. D. Zolotarenko, B. M. Gorelov, E. Erlanuli, D. G. Batrishev

Анотація


Ендоедральні фуллерени (ЕЕФ) викликають у дослідників особливий інтерес, оскільки їхні молекули мають унікальні структуру і відповідно фізико-хімічні властивості. Хімічні елементи, якими легують електроди, надають нові властивості сферичним молекулам, що утворюються в процесі синтезу. В цьому напрямку все ще багато невирішених завдань, пов’язаних з розумінням процесів, які відбуваються в карбоновій плазмі, що містить домішки різного хімічного складу, а також з процесами екстракції, виділення, розділення та ідентифікації продуктів. При виконанні досліджень акцентували увагу на оптимізації умов синтезу ЕЕФ-вмісної сажі (суміші продуктів, яка утворилась в процесі дугового синтезу ендометалофуллеренів), розвитку нових підходів до синтезу похідних ЕЕФ та розвитку ефективних методів екстракції ЕЕФ з продуктів синтезу. Швидка ідентифікація отриманого продукту сприятиме прискоренню досліджень в цій галузі.

Метою роботи було дослідження електронних спектрів поглинання екстрактів, одержаних виділенням ендометалофуллеренів та фуллеренів із сажі, отриманої в експериментах. Це необхідно для виявлення характеристичних особливостей їхніх спектрів поглинання з метою подальшого використання для визначення синтезованих продуктів спектрофотометричним методом. ЕЕФ отримували найбільш поширеним і продуктивним методом електродугового синтезу.

У роботі описано дослідження матеріалів, які сформувались при спільному дуговому випаровуванні графіту та металів. Застосовано схему двохстадійної екстракції ЕЕФ із фуллеренвмісної сажі, яка дала можливість отримати диметилформамідні (ДМФА) розчини практично чистих ендометалофуллеренів. Показана можливість використання фотоспектрометрії для ідентифікації ендометалофуллеренів та запропоновано використовувати спектрофотометричний метод для їх детектування. Встановлено, що найчистіші фуллерити утворюються при проведенні процесів екстракції і кристалізації за максимально низьких температур.


Ключові слова


метод електродугового синтезу; фуллерени; ендофуллерени; спектрофотометричний метод; детектування ендометалофуллеренів; екстракція

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Sementsov Yu.I.; Alekseeva T.A. Pyatkovsky M.L., Prikhod'ko G.P., Gavrilyuk N.A., Kartel N.T., Grabovsky Yu.E., Gorchev V.F., Chunihin A.Yu. Deagglomeration of multi-walled carbon nanotubes (CNTs) and preparation of polymer / CNT nanocomposites. In: Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials (ICHMS'2009). IX Int. Conf. (Yalta, Crimea, Ukraine, 2009). P. 782-785. [in Russian].

2. Gun'ko G.S., Sementsov Yu.I, Melezhik O.V., Prikhod'ko G.P., Pyatkovskiy M.L., Gavrylyuk N.A., Kartel M.T. CVD-method and equipment for MWCNT obtaining. In: Clusters and nanostructured materials (CNM-2). Int. Meeting. (Uzhgorod, Ukraine, 2009). P. 158.

3. Trefilov V.I., Schur D.V., Zaginaichenko S.Yu. Fullerenes - the basis of the materials of the future. (Kyiv: ADEF-Ukraine, 2001). [in Russian].

4. Schur D.V., Dubovoy A.G., Zaginaichenko S.Y., Adejev V.M., Kotko A.V., Bogolepov V.A., Savenko A.F., Zolotarenko A.D., Firstov, S.A., Skorokhod V.V. Synthesis of carbon nanostructures in gaseous and liquid medium. In: Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. (Springer, Dordrecht, Netherlands, 2007). P. 199-212. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-5514-0_25

5. Havryliuk N.A., Shevchuk O.M., Prikhod'ko G.P., Kartel M.T. Graphene oxide: preparation, properties, applications (review). Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2015. 6(4): 413. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp06.04.413

6. Popov A.A. Endohedral fullerenes: electron transfer and spin. In: Synthesis and molecular structures of endohedral fullerenes. (Cham.Chapter, Switzerland: Springer International Publishing, 2017). https://doi.org/10.1007/978-3-319-47049-8

7. Eletskii A.V. Endohedral structures. Phys. Usp. 2000. 43(2): 111. [in Russian]. https://doi.org/10.1070/PU2000v043n02ABEH000646

8. Anikina N.S., Krivushchenko O.Ya., Schur D.V., Zaginaichenko S.Yu., Chuprov S.S., Milto K.A., Zolotarenko A.D. Identification of endohedral metallofullerenes by UV-VIS spectroscopy. In: Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. IX Int. Conf. (Sevastopol, Crimea, Ukraine, 2005). P. 848-849. [in Russian].

9. Anikina N.S., Schur D.V., Zaginaichenko S.Yu., Zolotarenko A.D., Milto K.A. Determination of the ratio of fullerenes C60 and C70 by absorption spectroscopy. In: Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. IX Int. Conf. (Sevastopol, Crimea, Ukraine, 2005). P. 857-558. [in Russian].

10. Stevenson S., Burbank P., Harich K., Sun Z., Dorn H.C., Van Loosdrecht P.H.M., DeVries M.S., Salem J.R., Kiang C.H., Johnson R.D., Bethune D.S. La2@C72: Metal-mediated stabilization of a carbon cage. J. Phys. Chem. A. 1998. 102(17): 2833. https://doi.org/10.1021/jp980452m

11. Kareev I.E., Lebedkin S.F., Bubnov V.P., Yagubskii E.B., Ioffe I.N., Khavrel P.A., Kuvychko I.V., Strauss S.H., Boltalina O.V. Trifluoromethylated endohedral metallofullerenes: synthesis and characterization of Y@C82(CF3)5. Angew. Chem. Int. Ed. 2005. 44(12): 1846. https://doi.org/10.1002/anie.200461497

12. Dorn H.C., Steveson S., Burbank P., Harrich K. Isolation and structure of Sc2@C74 and Sc2@C78 In: Fullerenes: Recent advances in the chemistry and physics of fullerenes and related materials. V. 6. (NJ: Electrochem. Soc., 1998). P. 990-1002.

13. McElvany S.W. Production of endohedral yttrium-fullerene cations by direct laser vaporization. J. Phys. Chem. 1992. 96(12): 4935. https://doi.org/10.1021/j100191a039

14. Kareev I.E., Bubnov V.P., Fedutin D.N. High-performance electric arc reactor for the synthesis of soot with a high content of endohedral metallofullerenes. Tech. Phys. 2009. 79(11): 134. [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S1063784209110231

15. Lin N., Huang H.J., Yang S.H., Cue N. Scanning tunneling microscopy of ring-shape endohedral metallofullerene (Nd@C82)6,12 clusters. J. Phys. Chem. A. 1998. 102(24): 4411. https://doi.org/10.1021/jp980960w

16. Buchachenko A.L. Chemistry on the border of two centuries - achievements and prospects. Russ. Chem. Rev. 1999. 68(2): 99. https://doi.org/10.1070/RC1999v068n02ABEH000487

17. Kessler B., Bringer A., Cramm S., Schlebusch C., Eberhardt W. Evidence for incomplete charge transfer and La-derived states in the valence bands of endohedrally doped La@C82 Phys. Rev. Lett. 1997. 79(12): 2289. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.79.2289

18. Poirier D.M., Knupfer M., Weaver J. H., Andreoni W., Laasonen K., Parrinello M., Bethune D.S., Kikuchi K., Achiba Y. Electronic and geometric structure of La@xaC82 and C82: Theory and experiment. Phys. Rev. B. 1994. 49(24): 17403. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.49.17403

19. Pichler T., Knupfer M., Golden M.S., Böske T., Fink J., Kirbach U., Kuran P., Dunsch L., Jung C. The metallofullerene Tm@C82: isomer-selective electronic structure. Appl. Phys. A. 1998. 66: 281. https://doi.org/10.1007/s003390050667

20. Eletskii A.V., Smirnov B.M. Fullerenes. Phys. Usp. 1993. 36(3): 202. https://doi.org/10.1070/PU1993v036n03ABEH002129

21. Eletskii A.V., Smirnov B.M. Fullerenes and carbon structures. Phys. Usp. 1995. 38: 935. https://doi.org/10.1070/PU1995v038n09ABEH000103

22. John T., Dennis S., Shinohara H. Production, isolation, and characterization of group-2 metal-containing endohedral metallofullerenes. Appl. Phys. A. 1998. 66(3): 243. https://doi.org/10.1007/s003390050662

23. Dennis T.J.S., Kai T., Tomiyama T., Shinohara H. Isolation and characterisation of the two major isomers of [84]fullerene (C84). Chem. Commun. 1998. 5: 619. https://doi.org/10.1039/a708025e

24. Weaver J.H., Chai Y., Kroll G.H., Jin C., Ohno T.R., Haufler R.E., Guo T., Alford J.M., Conceicao J., Chibante L.P.F., Jain, A. XPS probes of carbon-caged metals. Chem. Phys. Lett. 1992. 190(5): 460. https://doi.org/10.1016/0009-2614(92)85173-8

25. Ding J., Yang S. Isolation and characterization of Pr@C82 and Pr2@C80. J. Am. Chem. Soc. 1996. 118(45): 11254. https://doi.org/10.1021/ja961601m

26. Ding J., Lin N., Weng L.T., Cue N., Yang S. Isolation and characterization of a new metallofullerene Nd@C82. Chem. Phys. Lett. 1996. 261(1-2): 92. https://doi.org/10.1016/0009-2614(96)00879-2

27. Shinohara H., Takata M., Sakata M., Hashizume T., Sakurai T. Metallofullerenes: their formation and characterization. Mater. Sci. Forum. 1996. 232: 207. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.232.207

28. Hoinkis M., Yannoni C.S., Bethune D.S., Salem J.R., Johnson R.D., Crowder M.S., De Vries M.S. Multiple species of La@C82 and Y@C82, mass spectrometric and solution EPR studies. Chem. Phys. Lett. 1992. 198(5): 461. https://doi.org/10.1016/0009-2614(92)80028-A

29. Matysina Z.A., Zaginaichenko S.Yu., Schur D.V. Solubility is provided in metal, interhallides, fullerites. (Dnepropetrovsk: Science and Education, 2006). [in Russian].

30. Zaginaichenko S.Y., Schur D.V., Matysina Z.A. The peculiarities of carbon interaction with catalysts during the synthesis of carbon nanomaterials. Carbon. 2003. 41(7): 1349. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(03)00059-9

31. Anikina N.S., Schur D.V., Zaginaichenko S.Y., Zolotarenko A.D. The role of chemical and physical properties of C60 fullerene molecules and benzene derivatives in processes of C60 dissolving. In: Hydrogen Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. 10th Int. Conf. (Sudak, Crimea, Ukraine, 2007). P. 680-681.

32. Schur D.V., Zaginaichenko S.Y., Savenko A.F., Bogolepov V.A., Anikina N.S., Zolotarenko A.D., Matysina Z.A., Veziroglu T.N., Skryabina N.E. Experimental evaluation of total hydrogen capacity for fullerite C60. Int. J. Hydrogen Energy. 2011. 36(1): 1143. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.06.087

33. Schur D.V., Dubovoy A.G., Zaginaichenko S.Yu. Method for synthesis of carbon nanotubes in the liquid phase. In: International Carbon Providence Conference American Carbon Society. Extended Abstracts. (Rhode, Island, USA, 2004). P. 196-198. https://doi.org/10.1007/1-4020-2669-2_14

34. Schur D.V., Zaginaichenko S.Y., Lysenko E.A., Golovchenko T.N., Javadov N.F. In: Features of the formation of the C60 molecule. Carbon nanomaterials in hydrogen systems of clean energy. (Springer, 2008).

35. Anikina N.S., Schur D.V., Zaginaichenko S.Y., Zolotarenko A.D. On the donor-acceptor mechanism of C60 fullerene dissolving in aromatic hydrocarbons. In: Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials, 10th Int. Conf. (Sudak, Crimea, Ukraine, 2007). P. 676-679.

36. Ratajczak H., Orville-Thomas W.J. Molecular interactions. V. 2. (Chichester, New York, Brisbane, Toronto: A Wiley-Interscience Publication, 1981). [in Russian].

37. Andrews L.J, Keefer R.M. Molecular complexes in organic chemistry. (San Francisco, London, Amsterdam: Holden-Day, Inc., 1964). [in Russian].

38. Gutmann V. Coordination Chemistry in Non-Aqueous Solutions. (Wien, New York: Springer - Verlag, 1968). [in Russian]. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-8194-2




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.429

Copyright (©) 2020 N. Y. Akhanova, D. V. Schur, N. A. Gavrylyuk, M. T. Gabdullin, N. S. Anikina, An. D. Zolotarenko, O. Ya. Krivushchenko, Ol. D. Zolotarenko, B. M. Gorelov, E. Erlanuli, D. G. Batrishev