单壁碳纳米管在胆酸类表面活性剂中的分散及手性碳管(6,5)的双水相分离方法

选用牛磺脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠等6种胆酸类表面活性剂,考察其对单壁碳纳米管(SWCNTs)的分散能力.紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果表明,在超声功率为225 W,超声时间1 h的分散条件下,胆酸类表面活性剂均能对SWCNTs均匀分散,均可作为SWCNTs的分散剂.在相同条件下,质量分数为2%的牛磺脱氧胆酸钠对SWCNTs的分散能力最强,脱氧胆酸钠对SWCNTs的分散能力最弱.此外,还采用聚乙二醇/葡聚糖双水相系统对SWCNTs分散液进行了萃取分离,获得了纯度较高的手性SWCNTs(6,5).所筛选的SWCNTs分散剂及采用的双水相分离方法为单一手性SWCNTs的分离提供了一定的技术参考.     

超声分散对单壁碳纳米管分离的影响

利用凝胶柱色谱技术, 研究者们通过两步或多步淋洗的方法实现了不同导电属性或电子结构单壁碳纳米管(SWCNTs)的分离, 并提出其分离机制主要是由不同导电属性和电子结构的SWCNTs 与凝胶填料之间作用力的差异所导致的. 基于凝胶柱色谱分离技术, 本文重点考察了超声时间对单壁碳纳米管单分散以及金属型/半导体型SWCNTs 分离的影响. 在一定的低超声功率下, 适当增加超声时间有利于SWCNTs 在十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中的单分散. 紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱、拉曼(Raman)光谱和荧光(PL)光谱表征结果表明, 2 h的超声条件是获得高纯度的金属型以及不同直径分布的半导体型SWCNTs 的最优条件. 我们认为不同超声时间对SWCNTs 分离的影响主要是改变了SWCNTs 的单分散性和长度, 调制了不同SWCNTs 与凝胶之间作用力的差异, 从而导致了不同SWCNTs分离结果.     

单一导电属性及手性单壁碳纳米管的分离技术

综述了基于生长后处理策略下单一导电属性及手性单壁碳纳米管(SWCNTs)分离技术的研究进展, 阐述了SWCNTs 的选择性分离原理, 并比较了不同分离技术在分离纯度、效率、成本以及可规模化等方面的优缺点, 为SWCNTs 分离技术的发展及应用提供了方向性指导.     

多糖凝胶的孔径和化学结构对单壁碳纳米管流动性和选择性分离的影响

基于凝胶柱色谱分离技术研究了单分散的单壁碳纳米管(SWCNTs)在不同化学结构多孔多糖凝胶中的流动特性以及对金属型(m-)/半导体型(s-)SWCNTs分离的影响.通过比较SWCNTs在一系列不同孔径的葡聚糖Sephacryl凝胶中的流动行为,发现减小孔径尺寸能够增强s-SWCNTs与凝胶之间的吸附作用力,使大直径的m-SWCNTs快速地流过凝胶颗粒,而选择性地保留了小直径的s-SWCNTs.进一步发现多糖凝胶化学结构比孔径尺寸在SWCNTs的m/s分离中起着更重要的作用.当基于葡聚糖结构的Sephacryl凝胶中的氨基结构被琼脂糖结构所取代时,如Superdex 200和Sepharose 2B凝胶会增强它们与SWCNTs之间的作用力,使SWCNTs的保留时间延长,降低了s-SWCNTs的选择性和纯度.此外,即使拥有与Sephacryl S100类似的孔径范围,当Sephacryl凝胶中的氨基被疏水环氧丙烷基团取代时,葡聚糖凝胶Sephadex G100与SWCNTs的作用力很弱,导致所有SWCNTs快速流动,无法实现SWCNTs的m/s分离.因而,我们认为凝胶孔径和化学结构共同影响并调控了SWCNTs的m/s分离的选择性、纯度以及分离效率.     

多糖凝胶的孔径和化学结构对单壁碳纳米管流动性和选择性分离的影响

基于凝胶柱色谱分离技术研究了单分散的单壁碳纳米管（SWCNTs）在不同化学结构多孔多糖凝胶中的流动特性以及对金属型（m-）/半导体型（s-）SWCNTs 分离的影响. 通过比较SWCNTs 在一系列不同孔径的葡聚糖Sephacryl 凝胶中的流动行为,发现减小孔径尺寸能够增强s-SWCNTs 与凝胶之间的吸附作用力,使大直径的m-SWCNTs 快速地流过凝胶颗粒,而选择性地保留了小直径的s-SWCNTs. 进一步发现多糖凝胶化学结构比孔径尺寸在SWCNTs 的m/s 分离中起着更重要的作用. 当基于葡聚糖结构的Sephacryl 凝胶中的氨基结构被琼脂糖结构所取代时,如Superdex 200 和Sepharose 2B凝胶会增强它们与SWCNTs 之间的作用力,使SWCNTs 的保留时间延长,降低了s-SWCNTs 的选择性和纯度. 此外,即使拥有与Sephacryl S100类似的孔径范围,当Sephacryl 凝胶中的氨基被疏水环氧丙烷基团取代时,葡聚糖凝胶Sephadex G100 与SWCNTs 的作用力很弱,导致所有SWCNTs 快速流动,无法实现SWCNTs 的m/s 分离. 因而,我们认为凝胶孔径和化学结构共同影响并调控了SWCNTs的m/s分离的选择性、纯度以及分离效率.     

单壁碳纳米管的手性测量

单壁碳纳米管的制备方法主要包括物理法和化学法两种,不同制备方法的产物中包含很多种不同手性指数的单壁碳纳米管及杂质,而不同手性的单壁碳纳米管其作用完全不同,从而有不同的应用。采用化学方法——钴钼催化剂气相沉积法和物理方法——激光烧蚀气相沉积法制备单壁碳纳米管,用紫外–可见–近红外吸收光谱、荧光光谱及拉曼光谱法分别对其进行手性测量。结果表明,钴钼催化剂气相沉积法制得样品富含半导体型单壁碳纳米管,而激光烧蚀气相沉积法制得样品中主要为金属型单壁碳纳米管。分别得到了两种制备方法样品的手性分布。     

琼脂糖凝胶电泳法分离金属性和半导体性单壁碳纳米管

琼脂糖凝胶电泳(AGE)是实现金属性单壁碳纳米管(m-SWCNTs)和半导体性单壁碳纳米管(s-SWCNTs)低成本、规模化分离的有效技术之一。本研究利用琼脂糖凝胶电泳分离单壁碳纳米管。通过紫外-可见-近红外吸收光谱和拉曼光谱对色谱带进行分段表征,发现电泳中迁移的最快的部分m-SWCNTs含量最高。考察了琼脂糖的浓度对SWCNTs中m-SWCNTs分离的影响。结果表明:高的琼脂糖浓度有利于m-SWC-NTs的富集,可以通过扩大电荷密度带来的迁移速率的差异来使SWCNTs中的m-SWCNTs得到更有效的分离。     

封面介绍

<正>单壁碳纳米管可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体,根据卷曲方式(通常称为"手性")的不同,可以是金属性导体或带隙不同的半导体。这是碳纳米管的一个独特而优异的性质,但也为碳纳米管的制备带来了巨大的挑战。用一般方法合成的样品均为不同结构的碳纳米管组成的混合物,单一手性单壁碳纳米管的选择性生长成为一个难题,经过国际上20余年的努力仍悬而未决,这已经成为碳纳米管研究和应用发展的瓶颈。针对这一难题,北京大学化学与分子工程学院李彦     

单壁碳纳米管的电子速度及有效质量

利用单壁碳纳米管(SWCNTs)能量色散关系, 计算了最低导带的电子速度和有效质量, 重点讨论了SWCNTs中最低导带电子速度和有效质量与波矢及管径大小的关系. 结果表明, 半导体型锯齿SWCNTs的电子速度和有效质量与其结构参量(管径)有直接的关系. 各种椅型SWCNTs(金属型)和金属型锯齿SWCNTs最低导带电子速度和有效质量随波矢的变化规律分别相同, 各种半导体型锯齿SWCNTs最低导带电子速度和有效质量随波矢的变化规律则有明显差别. 这意味着在低偏压下, 不同管径的椅型SWCNTs和金属型锯齿SWCNTs输运性能相同, 而各种不同管径半导体型锯齿SWCNTs输运性能有明显差别.     

非离子型表面活性剂Tween 60用于碳纳米管的双水相分离

单壁碳纳米管以其优异的电学和光学性能受到了广泛的关注,高性能器件等应用要求使用性质均一的单壁碳纳米管.因此,不同结构的单壁碳纳米管的分离具有重要意义.双水相萃取是一种能够对单壁碳纳米管进行结构分离的新方法,分离结果稳定可靠,且不需要复杂的设备,具有简捷、高效、易扩大规模等特点.本文通过调节脱氧胆酸钠(DOC)和非离子型...     

新型单壁碳纳米管采样吸附剂性能的评价

研究了单壁碳纳米管(SWCNTs)作为新型采样吸附剂的性能和效果,并应用于空气中挥发性有机化合物的分析测定。结果表明,单壁碳纳米管具有较大的比表面积,与经典Tenax TA吸附剂相比,对低碳数挥发性强的有机化合物回收率高,有更强的吸附能力;空白实验表明,SWCNTs易获得较低本底,具有化学惰性和疏水特性,采样时水的干扰小。当湿度增加时在误差允许的范围内准确度不受影响;实验测定具有较大的穿透容量和安全采样体积。将单壁碳纳米管吸附剂实际应用于大气中挥发性有机化合物的测定,通过与经典吸附剂Tenax TA相比,更适于采集大气中的挥发性有机化合物。     

单壁碳纳米管的轴向能带工程

单壁碳纳米管具有优异的电子学特性,是制备新一代高性能集成电路的重要材料.碳纳米管芯片之路存在诸多挑战,包括直径和手性的控制生长方法、金属性和半导体性单壁碳纳米管的分离方法、器件加工与集成方法等.这些课题从本质上讲大多属于化学问题,因此碳纳米管芯片研究为化学家们提供了新的机遇与挑战.过去10年来,我们围绕单壁碳纳米管的轴向能带工程这一研究思路,开展了一系列碳纳米管芯片的基础探索工作,发展了若干有效的单壁碳纳米管局域能带的调控方法,包括温度阶跃生长法、脉冲供料生长法、基底调控法以及形变调控法等.本文系统地阐述了这些局域能带调控方法,为使读者对该领域的研究进展有一个较为全面的了解,文中对其他课题组开展的代表性工作也给予了综述性介绍.     

琼脂糖性质对凝胶电泳法分离金属性和半导体性单壁碳纳米管的影响

利用琼脂糖凝胶电泳分离单壁碳纳米管(SWCNTs)技术, 考察了MB, Agarose, Agarose B和LRU 4种琼脂糖对SWCNTs分离效率的影响. 紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱研究结果表明, 不同的琼脂糖对SWCNTs中s-SWCNTs的分离效率影响较小, 而对m-SWCNTs的分离效率影响较大. 分析4种琼脂糖凝胶的凝胶强度和凝胶网孔尺寸等发现, 影响SWCNTs中m-SWCNTs分离效率的主要因素是琼脂糖的凝胶强度和琼脂糖凝胶形成的网孔尺寸, 小的凝胶网孔尺寸有利于m-SWCNTs富集, 高凝胶强度则不利于其富集.     

高稳定性和水溶性的共轭聚电解质/单壁碳纳米管复合物的制备和表征

单壁碳纳米管（SWNTs）的分散性是影响其走向大规模应用的一个重要因素.尤其为满足未来绿色化学的要求,制备环保、稳定、均匀分散的单壁碳纳米管水溶液尤为重要.基于此,我们利用一种水溶性的共轭聚电解质聚（3-甲基咪唑盐己基噻吩）（P3MHT）,来分散单壁碳纳米管.通过紫外-可见光谱仪、荧光光谱仪、透射电子显微镜、纳米粒度-Zeta电位分析仪、热重分析仪等仪器对制备的聚噻吩/碳纳米管复合物进行表征,结果表明聚噻吩主链与碳纳米管通过π-π相互作用形成电荷转移复合物,聚噻吩侧链上的离子基团则赋予复合物良好的水溶性,从而均匀分散碳纳米管.与常用于分散碳纳米管的小分子表面活性剂十二烷基硫酸钠相比,相同质量的P3MHT可明显提高碳纳米管在水相中的溶度和均匀分散性.该复合物溶液具有非常高的稳定性,在静置6个月后复合物分散性基本保持不变.     

几何限制对碳纳米管中气体小分子吸附与分离的影响

使用DFTB方法研究多种单壁碳纳米管(SWCNTs)的应力-应变关系,预测了在几何限制作用下,其杨氏模量和能带结构的变化规律.系统探讨了外部应力作用下SWCNTs内外表面吸附H_2,N_2和H_2S气体分子能力的变化规律,确定了SWCNTs对于上述混合气体的分离和提纯能力.     

高纯度可溶性单壁碳纳米管的吸收光谱

经过K₂S₂O₈的稀硫酸溶液氧化处理的粗制单壁碳纳米管样品, 在水、DMF 和乙醇等极性溶剂中具有非常好的溶解性. 通过在DMF介质中多次进行超声波分散和高速离心分离, 成功地获得了高纯度可溶性的单壁碳纳米管. UV-vis-NIR吸收光谱研究表明, 这种高纯度可溶性的单壁碳纳米管呈现出更多的吸收特征和更高的吸收强度. 进一步的研究表明, 单壁碳纳米管的纯度达到了“参比样品”的160%, 其单根分散度达到5%以上.     

CVD法制备单壁碳纳米管的纯化与表征

针对CVD法合成的单壁碳纳米管的特点提出了较为有效的纯化方法，并对纯化后碳管的存在形式进行了表征.结果表明,CVD法制备的单壁碳纳米管中所含的载体和催化剂绝大部分可以通过盐酸除去.在表面活性剂溶液中超声分散碳纳米管,可以使管与无定形碳及石墨状碎片进行有效的剥离.空气加热氧化法和稀硝酸回流法可有效地去除碳杂质,稀硝酸回流可以在纯化的同时对管的末端及侧壁进行功能化.     

硼氮掺杂的碳纳米管对硫化氢气敏性能的理论研究

应用密度泛函理论研究了纯(8, 0)单壁碳纳米管(SWCNT)和B原子、N原子以及BN原子对掺杂的(8, 0) SWCNTs对硫化氢气体分子的传感性质. 计算结果表明, 与纯碳纳米管相比, B原子掺杂的SWCNT显示了对H₂S分子的敏感性, 其几何结构和电子性质在吸附H₂S分子后发生了显著变化; 而N原子和BN原子对的掺杂没有改善SWCNT对H₂S分子的吸附性能, 因此我们建议B原子掺杂的SWCNT作为检测H₂S分子的新型气相传感器.     

单壁碳纳米管的结构控制生长方法

单壁碳纳米管在原子尺度的结构变化即可导致其电学、光学方面等性质的多样性和非连续的变化——如电学性质上可呈现半导体性或金属性。然而,在单壁碳纳米管表现出诸多优异性能的同时,如何实现碳纳米管的结构控制制备仍面临严峻的挑战。本文以单壁碳纳米管的管径、导电属性和手性控制为目标,介绍单壁碳纳米管的结构控制生长方法,主要包括温度扰动法、金属催化剂结构设计法、生长气氛调控法、外场辅助法、基底诱导法、非金属粒子催化法和sp2碳结构模板法等。并在此基础上总结了单壁碳纳米管结构控制生长的基本思路及实现途径,以期为后续单壁碳纳米管的规模化应用奠定基础。     

电泳沉积法制备介孔TiO2/单壁碳纳米管薄膜

采用电泳沉积法, 在FTO/介孔TiO2薄膜上制备了介孔TiO2/单壁碳纳米管(SWCNTs)薄膜电极, 用Raman和SEM等手段对薄膜电极进行了表征. 结果表明, SWCNTs已沉积到介孔TiO2薄膜上. 分别用四羧基苯基卟啉(TCPP)和联吡啶钌化合物N719对其进行敏化, 并组装成太阳能电池. 研究结果表明, 与单纯的TiO2粒子膜相比, 介孔TiO2和SWCNTs的紧密结合可使得光生电子更容易传输, 光电转换效率显著提高.