PROCEDIMIENTO DE OBTENCION DE FULLENEROS Y FULLENEROS ASI OBTENIDOS.

Procedimiento de obtención de fullerenos y fullerenos así obtenidos.



La presente invención describe un procedimiento para la fabricación de fullerenos y heterofullerenos basado en la deshidrogenación de precursores orgánicos por la acción catalítica de un material monocristalino altamente reactivo, por ejemplo Pt(111). La producción de los fullerenos se produce sobre superficies curvas (nanopartículas) o sobre láminas de dicho material catalítico, pudiéndose liberar posteriormente los fullerenos para usos futuros. Por otro lado, las láminas con los fullerenos adheridos pueden utilizarse como dispositivos de electrónica molecular, por ejemplo, como donor de electrones, en diodos, transistores moleculares, células fotovoltaicas o limitadores ópticos en los que el C60 forma la capa activa

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200801896.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC) (77,8%)
INSTITUTE OF CHEMICAL RESEARCH OF CATALONIA (ICIQ) (11,1%)
INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA AEROESPACIAL (INTA) (11,1%)
.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: SANCHEZ SANCHEZ,CARLOS, GOMEZ-LOR PEREZ,BERTA, MENDEZ PEREZ-CAMARERO,JAVIER, CAILLARD,RENAUD, OTERO,GONZALO, MARTIN GAGO,JOSE ANGEL, LOPEZ FAGUNDEZ,MARIA FRANCISCA, ECHAVARREN,ANTONIO M, ROGERO BLANCO,CELIA.

Fecha de Solicitud: 25 de Junio de 2008.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 20 de Septiembre de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • C01B31/02 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C01 QUIMICA INORGANICA.C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 31/00 Carbono; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00  tienen prioridad; percarbonatos C01B 15/10; negro de carbón C09C 1/48). › Preparación de carbono (por medio de sobrepresión, p. ej. para la formación de diamantes, B01J 3/06; por crecimiento de cristales C30B ); Purificación.
  • H01L51/00 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctrica en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › Dispositivos de estado sólido que utilizan materiales orgánicos como parte activa, o que utilizan como parte activa una combinación de materiales orgánicos con otros materiales; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de dichos dispositivos o de sus partes constitutivas (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes formados en o sobre un sustrato común H01L 27/28; dispositivos termoeléctricos que utilizan material orgánico H01L 35/00, H01L 37/00; elementos piezoeléctricos, magnetoestrictivos o electroestrictivos que utilizan material orgánico H01L 41/00).

Clasificación PCT:

  • C01B31/02 C01B 31/00 […] › Preparación de carbono (por medio de sobrepresión, p. ej. para la formación de diamantes, B01J 3/06; por crecimiento de cristales C30B ); Purificación.
  • H01L51/00 H01L […] › Dispositivos de estado sólido que utilizan materiales orgánicos como parte activa, o que utilizan como parte activa una combinación de materiales orgánicos con otros materiales; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de dichos dispositivos o de sus partes constitutivas (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes formados en o sobre un sustrato común H01L 27/28; dispositivos termoeléctricos que utilizan material orgánico H01L 35/00, H01L 37/00; elementos piezoeléctricos, magnetoestrictivos o electroestrictivos que utilizan material orgánico H01L 41/00).

Fragmento de la descripción:

Procedimiento de obtención de fullerenos y fullerenos así obtenidos.

Sector de la técnica

La invención se relaciona con el campo de los nanomateriales, y más concretamente con la producción de fullerenos útiles en aplicaciones de electrónica molecular, química y biomedicina.

Estado de la técnica

Los fullerenos o fullerenos son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el grafito, siendo el más conocido el buckminsterfullereno o C60. En general un fullereno es una molécula cerrada formada por átomos de carbono cuya estructura consiste en una sucesión de pentágonos y hexágonos. Muchas son las formas que pueden presentar los fullerenos, desde formas alargadas o elípticas (tipo balón de rugbi) a formas esféricas (tipo balón de futbol). En el caso del C60, los 60 átomos de carbono alternan 12 pentágonos y 20 hexágonos con un átomo de carbono en cada una de las esquinas de los hexágonos y un enlace a lo largo de cada arista formando una estructura igual al balón de futbol pero 10 millones de veces más pequeño.

En algunos casos es posible modificar los fullerenos reemplazando algún átomo de carbono por otro elemento; a estas moléculas se las conoce como heterofullerenos. Uno de los casos más importantes de heterofullerenos son los azafullerenos, obtenidos al reemplazar algún átomo de C por N.

Si dentro de la cavidad o estructura cerrada del fullereno se introduce algún átomo (como por ejemplo Sc dentro de C84) o molécula (como por ejemplo H2 dentro de C60) obtendremos endofullerenos.

Actualmente los métodos de producción de estas moléculas son muy variados, pero todos son bastante indirectos y poco eficientes para obtener una molécula en particular. El principal método es la pirólisis láser, técnica que consiste en volatilizar mediante un láser de alta potencia láminas de grafito. Esta técnica da como resultado una gran variedad de fullerenos y estructuras no cerradas de carbono de las que posteriormente deben separarse, mediante complejos procesos, los fullerenos específicos que se desean.

Por otra parte, la síntesis controlada de fullerenos y heterofullerenos sobre superficies es un paso intermedio para el desarrollo de la electrónica molecular basada en fullerenos. Hoy en día son necesarios nuevos métodos para la síntesis controlada de nuevos fullerenos, heterofullerenos y endofullerenos que no se pueden obtener por los métodos actuales de vaporización de grafito. Recientemente, se ha demostrado que C60 puede ser obtenido por pirólisis rápida a vacío a partir de C60H57Cl3. Sin embargo, este precursor fue preparado en 11 pasos a partir de materiales comerciales y la deshidrogenación/descloración fue obtenida con sólo un 0.1-1% de eficacia (Scott, L., et al. A rational chemical synthesis of C60. Science 295, 1500-1503 (2002)).

Las aplicaciones del fullereno C60 y sus derivados son variadas. Por ejemplo, en electrónica molecular se han descrito muchos dispositivos en los que el fullereno actúa como dador de electrones, habiéndose descrito, por ejemplo, la construcción de diodos, transistores moleculares, células fotovoltáicas o limitadores ópticos en los que el C60 forma la capa activa (Uchida, M, et al., Electroluminescence from visible to near-infrared spectral range in buckminsterdullerene diode, Jpn. J. Appl. Phys. Part. 2 Letters 30 12B, L2104-L2106 (1991); Horiuchi, K, et al. Passivation effects of alumina insulating layer on C-60 thin-film field-effect transistors, Appl. Phys. Lett 81, 1911-1912, (2002), Licht, S. et al., Fullerene photoelectrochemical solar cells, Solar energy materials and solar cells 51, 9-19, (1998)).

Por su gran tamaño y dureza, en comparación con grupos de átomos, se los utiliza como proyectiles (sondas) en técnicas experimentales de superficies como SIMS (Secondary ion mass spectroscopy) (Wong, S. C. C. et al., Development of a C60+ ion gun for static SIMS and chemical imaging, Appl. Surf. Sci. 203-204, 219-222, (2003)). Los fullerenos funcionalizados también han encontrado utilidad en campos muy diversos. Por citar un ejemplo en el campo de la biomedicina se han descrito fullerenos funcionalizados con complejos organometálicos que presentan una actividad significativa contra el virus que producen el SIDA (Firedman, S. H., et al, Optimizing the binding of fullerene inhibitors of the HIV-1 protease through predicted increase in Hydrophobic desolvation, J. Med. Chem. 41, 2424-2429 (1998)).

Las posibles aplicaciones de heterofullerenos y endofullerenos están mucho menos desarrolladas. Los heterofullerenos han despertado gran interés puesto que la sustitución de algunos átomos de C por otro elemento en estas cajas moleculares se traducirá en drásticas diferencias en sus propiedades electrónicas y estructurales dando lugar a nuevas aplicaciones (Xie, R. H., et al., Structural, electronic and magnetic properties of heterofullerene C48B12, Chem. Phys. Lett. 375, 445-451, (2003)). Por otra parte, se han propuesto muchas aplicaciones para los endofullerenos en el campo de la nanotecnología, entre ellas podemos citar varias en el campo de la medicina asociadas a transportadores de fármacos o moléculas dentro de un organismo vivo, o también como transportadores de material para contraste en RMN (Kang, J. W. et al., A nanoelectronic device based on endofullerene peapod: Model Schematics and molecular dinamics study, Nanotech 2, 293-296, (2005); Grushko, Y. S., et al., Radioactive metallofullerene, Hot atom chemistry aspects. Fullerene nanotubes and carbon nanostructures 14, 249-259, (2006)).

Sin embargo, a pesar del gran interés que despiertan estas estructuras el estudio experimental de las aplicaciones de estos sistemas se encuentra con la dificultad de obtener cantidades suficientes debido a la complejidad de la síntesis y purificación de estos derivados.

El mecanismo que se describe en este trabajo abre las puertas para la producción controlada y eficiente de fullerenos y heterofullerenos, y podría permitir encapsular diferentes átomos o moléculas para formar endofullerenos. Por último, posibilita también la formación de diferentes nanoestructuras basadas en el carbono, como por ejemplo grafeno dopado, que hoy en día no puede ser obtenido sobre superficies por otros métodos.

Descripción de la invenciónDescripción breve

Un aspecto de la invención lo constituye un procedimiento para la fabricación de fullerenos, heterofullerenos y otras moléculas y estructuras relacionadas, en adelante procedimiento de la invención, basado en la deshidrogenación de precursores orgánicos por la acción catalítica de un material monocristalino altamente reactivo y que comprende las siguientes etapas:

a) Activación de la superficie del material catalizador, que en el caso de un material monocristalino comprende las siguientes etapas: i.- una etapa de abrasión iónica de la superficie del material mediante el uso de iones de gases nobles, como por ejemplo, Ar+ y energías comprendidas entre los 500 V y 2000 V, preferentemente 1000 V, con la superficie catalizadora a temperatura ambiente constituida por, al menos, 3 ciclos de entre 10 y 20 min, preferentemente 15 min, ii.- una etapa de calentamiento del material de a) entre 1150 y 1400 K, preferentemente a 1250 K durante 10 a 30 minutos, preferentemente durante 15 minutos, en una atmósfera de O2 - con presiones parciales de oxígeno entre 10-4 y 10-6 mbar, preferentemente a 1x10-5 mbar-, y iii.- un último ciclo de calentamiento sin O2, manteniendo la presión total del sistema en el rango de 10-10 mbar, preferentemente P<7x10-10 mbar; b) Combinación de los precursores planos aromáticos policícliclos con la superficie catalizadora del material altamente reactivo obtenido en a) c) calentamiento en vacío de la muestra de b) entre 650 K y 800 K, preferentemente a 750 K, para obtener fullerenos y heterofulerenos y, entre 850 K y 950 K, preferentemente a 900 K, para obtener grafeno, durante 10-30 minutos, preferentemente 20 minutos, y d) opcionalmente, recogida del correspondiente fullereno.

Un aspecto particular de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que la superficie catalizadora utilizada en a) es de un material perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al siguiente grupo...

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para la fabricación de fullerenos, heterofullerenos y otras moléculas y estructuras relacionadas caracterizado porque se basa en la deshidrogenación de precursores orgánicos por la acción catalítica de un material monocristalino altamente reactivo y porque comprende las siguientes etapas:

a) Activación de la superficie del material catalizador, que en el caso de un material monocristalino comprende las siguientes etapas: i.- una etapa de abrasión iónica de la superficie del material mediante el uso de iones de gases nobles, como por ejemplo, Ar+ y energías comprendidas entre los 500 V y 2000 V, preferentemente 1000 V, con la superficie catalizadora a temperatura ambiente constituida por, al menos, 3 ciclos de entre 10 y 20 min, preferentemente 15 min, ii.- una etapa de calentamiento del material de a) entre 1150 y 1400 K, preferentemente a 1250 K durante 10 a 30 minutos, preferentemente durante 15 minutos, en una atmósfera de O2 - con presiones parciales de oxígeno entre 10-4 y 10-6 mbar, preferentemente a 1x10-5 mbar-, y iii.- un último ciclo de calentamiento sin O2, manteniendo la presión total del sistema en el rango de 10-10 mbar, preferentemente P<7x10-10 mbar; b) Combinación o depósito de los precursores planos aromáticos policícliclos con la superficie catalizadora del material altamente reactivo obtenido en a); c) calentamiento en vacío de la muestra de b) entre 650 K y 800 K, preferentemente a 750 K, para obtener fullerenos y heterofulerenos y, entre 850 K y 950 K, preferentemente a 900 K, para obtener grafeno, durante 10 a 30 minutos, preferentemente 20 minutos; y d) opcionalmente, recogida del correspondiente fullereno.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la superficie catalizadora utilizada en a) es de un material perteneciente al siguiente grupo de materiales catalizadores utilizados en la disociación del hidrógeno: platino, paladio, rutenio y níquel.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la combinación de precursores con la superficie catalizadora de b) se realiza mediante un procedimiento perteneciente al siguiente grupo:

i) evaporación térmica dentro de un sistema de vacío sobre una superficie,

ii) mediante diseminación de moléculas en forma de polvo sobre nano o micro partículas de materiales reactivos, y

iii) mediante secado de una gota en la que se hayan disuelto las moléculas precursoras y las partículas de materiales reactivos.

4. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque el precursor plano aromático policícliclo utilizado en b) pertenece al siguiente grupo: C60H30 y C57H33N3 para el caso de la formación de fullerenos (C60) y grafeno, y triazafullerenos (C57N3), respectivamente.

5. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la superficie catalizadora utilizada en a) corresponde con una superficie curva, por ejemplo, una nanopartícula o pequeños grupos de átomos (clusters) o con una superficie plana tipo lámina.

6. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque se utiliza C60H30 como precursor para la obtención de C60, una lámina de Pt(111) como superficie catalizadora, activada mediante el protocolo descrito en a), en la que el depósito del precursor plano aromático policícliclo sobre la superficie del material de b) se lleva a cabo mediante evaporación térmica, y en el que el calentamiento de c) se lleva a cabo a 750 K durante 20 minutos.

7. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque se utiliza C60H30 como precursor para la obtención de C60, nanopartículas de Pt(111), por ejemplo de 100 nm, como superficie catalizadora, activada mediante calentamiento en vacío y en atmósfera de O2 a 1250 K, en el que el depósito del precursor sobre el catalizador de b) se lleva a cabo mediante adición lenta de una disolución de C60H30 en CHCl3, y en el que calentamiento de c) se lleva a cabo a 700 K durante 20 minutos.

8. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque se utiliza C60H30 como precursor para la obtención de grafeno, una lámina de Pt(111) como superficie catalizadora, en el que el depósito del precursor sobre el catalizador de b) se lleva a cabo en condiciones de ultra alto vacío, y en el que el calentamiento de c) se lleva a cabo a 900 K durante 20 minutos.

9. Fullereno caracterizado porque se obtiene con un procedimiento según las reivindicaciones 1 a la 8.

10. Fullereno según la reivindicación 9 caracterizado porque el fullereno pertenece al siguiente grupo: C60, grafeno y C57N3.

11. Dispositivo caracterizado porque se obtiene con un procedimiento según las reivindicaciones 1 a la 8 excepto que no se lleva a cabo la etapa d).

12. Uso del dispositivo según la reivindicación 11 para la fabricación de forma directa o como parte de dispositivos de electrónica molecular, por ejemplo, como donor de electrones, en diodos, transistores moleculares, células fotovoltaicas o limitadores ópticos en los que el C60 forma la capa activa.


 

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