單根多壁碳納米管分散液及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米電子器件、納米復合材料領域，具體屬于碳納米管材料領域，是一種單根多壁碳納米管分散液及其制備方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管(CNTs)作為一種新型的一維納米材料，具有獨特的結構、優異的物理和化學特性。近幾年來，相關應用領域快速發展，科學家們先后研制了晶體管(參見Tans S等Nature , 1998 , 393: 49-52.)、傳感器(參見Chen P C等 Advanced Materials , 2010 ,22: 1900-1904.)、振蕩器(參見Sazonova V等 Nature, 2004, 431: 284-287.)等基于單根碳納米管的高性能器件，對碳納米管的單分散性提出了更高的要求。目前，使用化學氣相沉積、電弧放電、激光蒸發等方法制備的碳納米管中含有催化劑金屬顆粒、碳納米顆粒和無定形碳等雜質；同時，范德華力的作用易使單根碳納米管相互吸引形成大的團聚體。因此，提高碳納米管的純度和分散性能，對納米電子器件、納米復合材料等領域的發展具有重要意義。
[0003]目前在碳納米管提純方法中，物理法復雜、費時且效率低。化學法可以通過選擇性氧化進行提純，一般采用的方法是通過硝酸、雙氧水、濃硝酸/濃硫酸(體積比1:3)混酸溶液等直接進行液相氧化，但這些方法獲得的實驗參數不一致，沒有統一的比較，并且對碳納米管結構的破壞較大。在碳納米管分散性研究方面，已有實驗通過使用十二燒基苯磺酸鈉(參見M.F.1slam等NANO LETTERS, 2003，3(2): 269-273.)以及聚乙烯吡咯烷酮(參見Michael J.0’Connell等Chemical Physics Letters, 2001, 342(3-4): 265-271.)作為表面活性劑相對改善了碳納米管的分散性能，但仍無法得到分散的單根碳納米管，且分散液中的表面活性劑不易去除。
【發明內容】
[0004]本發明為了解決目前現有技術無法得到分散的單根碳納米管、且分散液中的表面活性劑不易去除的問題，提供了一種單根多壁碳納米管分散液及其制備方法。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:單根多壁碳納米管分散液，是由lg/L的多壁碳納米管、0.4g/L的富勒醇以及pH大于或等于7的極性溶劑構成的。
[0006]本發明采用的表面活性劑為具有極性基團的富勒醇，因為與非極性溶劑相比，具有極性基團的富勒烯更容易溶于極性溶劑(例如，水或醇)。富勒醇作為富勒烯的多羥基衍生物，在本發明中被用作表面活性劑，主要是由于富勒醇易溶于水和醇等極性溶劑。同時，其籠形結構很強的電子吸附能力，會與多壁碳納米管側壁通過JT-JT相互作用而產生物理性吸附，減弱多壁碳納米管間的范德華力，因此可以有效提高多壁碳納米管的分散性和穩定性。
[0007]其中，極性溶劑的pH要等于或大于7。原因主要有以下兩方面:I)經過純化的多壁碳納米管表面會引入羥基、羧基等含氧基團，酸根離子的解離會提高多壁碳納米管的分散性能，但酸性條件會抑制多壁碳納米管表面酸根粒子的解離。2)和酸性環境相比，在堿性環境下對富勒醇的氧化不存在高能壁皇，在室溫下即可輕松實現，便于得到羥基等含氧基團。同時富勒醇具有弱酸的性質，因此堿性環境會促進它在溶液中的解離，增大富勒醇的溶解性，從而提高碳管的分散性能。進一步，所述的極性溶劑為氫氧化鈉甲醇溶液，其中氫氧化鈉的濃度為0.0I g/L。
[0008]另外，為了更加詳細的說明本發明，提供了所述單根多壁碳納米管分散液的制備方法，
工序1:將多壁碳納米管加入至堿性預處理試劑溶液中，40°C加熱回流12h;然后將預處理后的多壁碳納米管加入到體積比為I: 3的濃硝酸/濃硫酸混酸溶液中超聲30min，用去離子水洗滌至中性后過濾，干燥，回收得到純化的多壁碳納米管；
工序Π:純化的多壁碳納米管、富勒醇以及極性溶劑混合均勻，采用超聲震蕩分散，獲得多壁碳納米管分散液；
工序ΙΠ:對工序Π獲得的多壁碳納米管分散液進行離心分離30min，轉速為4000?6000r/min，回收離心分離后的上清液，獲得單根多壁碳納米管分散液。
[0009]該制備方法中，對多壁碳納米管進行液相氧化分步提純的原因在于:I)預處理試劑和混酸溶液的共同作用，可以溶解催化劑金屬顆粒，因此提純后多壁碳納米管中所含的雜質明顯減少;2)采用混酸超聲分步提純與直接用混酸回流進行提純相比，前者對多壁碳納米管結構的破壞較小，并且能夠更好地保持多壁碳納米管的本征特性。
[0010]上述純化的多壁碳納米管，其表面會官能化羥基、羧基等含氧基團。這是由于預處理試劑和混酸溶液的共同作用會使多壁碳納米管的缺陷處率先氧化，同時也能夠將無定形碳和碳納米顆粒活化，使得多壁碳納米管的表面官能化羥基、羧基等含氧基團。而且，純化的多壁碳納米管在極性溶劑(水或醇)中的分散性能得到提高。這是因為純化的多壁碳納米管表面會引入羥基、羧基等含氧基團，所含的酸根離子的解離會使得多壁碳納米管表面帶負電荷，增強多壁碳納米管間的靜電排斥作用，進而提高多壁碳納米管的分散性能。
[0011]具體應用時，其中工序I是將多壁碳納米管、富勒醇和極性溶劑混合的工序。在該工序中，可以同時混合多壁碳納米管、富勒醇和極性溶劑;也可以先制得富勒醇溶液后，再混合多壁碳納米管;還可以先將多壁碳納米管與極性溶劑混合后，再添加富勒醇。
[0012]其中，工序Π是對工序I中得到的混合液進行超聲振蕩，制備分散液的工序。超聲波振蕩可以使用槽型的超聲波照射器，也可以使用其他的超聲波裝置。超聲波振蕩時間與儀器的功率輸出相關，若照射時間較短，使得分散變得不充分;反之，若照射時間較長，則多壁碳納米管的結構會受到損傷，影響多壁碳納米管的本征特性。
[0013]其中，工序m是將工序π中得到的分散液進行離心分離并回收上清液的工序。這是為了除去工序π中未穩定分散的多壁碳納米管。而且，若離心分離過強，則分散了的多壁碳納米管也被除去。反之，若過弱，這不能除去沒有分散的多壁碳納米管。因此，優選以4000?6000rpm的條件進行離心。通過該工序m，能夠得到更均勻地分散的單根多壁碳納米管分散液。
[0014]本發明采用富勒醇作為表面活性劑，對純化的多壁碳納米管進行分散，通過混合、超聲、離心三步工序制備一種均勻穩定的單根碳納米管分散液，這將進一步拓展碳納米管的應用領域，特別是對其在納米電子器件、納米復合材料等領域的發展具有重要意義。
【附圖說明】<