单壁碳纳米管在溶液中分散方法研究的新发现

2022-04-25 20:48:00
何妍
原创
862
摘要:单壁碳纳米管在水、酒精、丙酮等常用有机溶剂中自发分散的方法分散的碳纳米管可望在薄膜电子、复合材料等领域获得广泛应用。

单壁碳纳米管,全部由碳原子构成,几何结构可以视为由单层石墨烯卷曲而成,结构决定性质,因此单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能。同时按卷曲结构分,单壁碳纳米管具有扶手椅型、锯齿型和手性三种;按电子结构分,单壁碳纳米管具有半导体型和金属包括准金属型和金属型)。单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能,同时其原子尺度的变化即可导致单壁碳纳米管性质的变化。由此带来的单壁碳纳米管性质的多样性使其在包括高迁移率晶体管、逻辑电路、导电薄膜、场发射源、红外发射器、传感器、扫描探针针尖、机械强度增强、太阳能电池和催化剂载体等多个领域有潜在应用。然而,由于单碳单壁纳米管很强的范德华作用力,通常容易形成大的管束,难以分散,极大地制约了其优异性能的发挥和实际应用。目前,碳纳米在溶液中的分散方法面临着许多的问题和挑战。非共价功能化、共价功能化和溶剂剥离这三个主要的分散方法所面临的共同问题是需要借助较大的机械力,如以高频超声、球磨等促进碳纳米管的分散,然后采用高速离心分离去除大的管束。但是大的机械力不可避免地会损伤碳纳米管,高速离心分离出大的管束导致会损伤碳纳米管。这三种分散方法各自也有自己的缺点。非共价功能化会引入难以完全去除的表面活性剂或聚合物等辅助碳纳米管分散的碳添加剂,降低了碳纳米管网络的电、热输运性能;共价功能化法会破坏碳纳米管功能化位点的sp2结构;溶剂剥离法所用溶剂通常毒性大、沸点高且分散效率低。所以,在保持结构完整和无添加剂的前提下,将碳纳米管在普通溶剂中进行有效分散仍然是单壁碳纳米管研究与应用所要面临和解决的重大问题。但是这个问题在最近得到了好的解决,有了新的研究发现。一研究部的研究人员开发了一种单壁碳纳米管在水、酒精、丙醇等常用有机溶剂中自发分散的方法。该方法无需借助外力和外加分散辅助剂,在很好的保持单壁碳纳米管的结构完整的前提下,使单壁碳纳米管以单根或小管束的形式均匀分散在溶液中。该方法的原理主要是基于所制备的单壁碳纳米管产物中通常含有无定形碳、碳纳米颗粒以及碳片段等碳质副产物,这些碳质副产物较碳纳米管具有更低的结晶性以及更高的化学反应活性,通过控制反应条件可以被选择性功能化,而碳纳米管的结构基本不受影响。这一重大发现可以有望在薄膜电子、复合材料等领域获得广泛应用。得以解决碳纳米在溶液中的分散方法面临的问题。

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