单壁碳纳米管拉伸变形的原子尺度模拟

The molecular dynamics method was adopted to investigate the tension deformation for SWCNTs with different chiralities and radius. The results show that nanotubes have an extremely large breaking strain. Carbon nanotubes are completely ductile before their structural defects appear. Through tracing the evolution of the spacial configuration of a micro structural cell of SWCNTs, it is found that the torsion deformation results in the change of structural symmetry. Thus the load is no longer well distributed. The structural defects will occur with further loading. The systematic energy change of SWCNTs is observed. It can be seen that there is a structural transformation around the initial vacancy defects when the axial tension strain reaches a certain value. The two adjacent hexagons change to one pentagon and one heptagon (also called the Stone Wales transformation). The 5 7 configuration makes strain energy release, and the systematic energy falls. This configuration is more preferable from the viewpoint of the energy. The results also show that fewer defects have weak influence on the mechanical properties of SWCNTs under the present initial vacancy defect condition.     

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.     

有限长碳纳米管中的分子输运

采用非平衡分子动力学方法研究了有限长度、开口单壁碳纳米管中氦分子的输运过程.结果表明氦分子在小管径碳纳米管中主要以超扩散方式运动.当碳纳米管直径大于某一阈值时发生从超扩散向弹道输运方式的转变,而随着管径的继续增大,分子输运重新以超扩散的方式进行.这种转变与纳米管端口效应有密切的联系.当碳纳米管内部分子通过弹道方式高速运动时,这种运动在端口处由于端部势垒的影响而被抑制,造成端部阻塞现象,其本质是受端部势垒和碳纳米管管径共同影响的结果.     

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.     

Bioelectrocatalysis of Dopamine Using Adsorbed Tyrosinase on Single-Walled Carbon Nanotubes

Abstract

A wealth of information on the reactions of redox-active sites in proteins can be obtained by voltammetric studies in which the protein sample is arranged as a layer on a suitable electrode surface. Here, we describe a method for the performance of a tyrosinase/single-walled carbon nanotubes/glassy carbon (Tyr/SWCNTs/GC) electrode, prepared by the modification of GC electrode surface by SWCNTs and adsorption of tyrosinase on the SWCNT surfaces. SWCNTs were studied with the help of scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and atomic force microscopy (AFM). The dimensions of SWCNTs make them ideal candidates for the adsorption of proteins. The copper-containing enzyme, tyrosinase, exhibited an electrical contact with the electrode, because of the structural alignment of the enzyme on the SWCNT surfaces. The apparent Michaelis–Menten constant (K _m) for dopamine (DA) and the stability of the enzyme electrode were estimated. This method could be suitable for applications to nanofabricated devices.     

担体负载单壁碳纳米管采样吸附剂的制备及其性能研究

将单壁碳纳米管负载于白色101担体上,制备了新型采样吸附剂S101.利用扫描电镜可观察到在101担体表面包覆的碳纳米管,粒度分布测试表明其粒径在180～250 μm之间; 通过BET(Brunauer emmett teller)吸附测得新型采样吸附剂的比表面积为16.8 m2/g,与Tenax TA大致相当; 热重实验表明, 其可耐400 ℃高温.采集不同湿度和储存不同的时间的样品, 测试回收率,采用冲洗色谱法分别测定常见挥发性有机化合物对S101的穿透体积,以及测试不同采样管的采样重现精度和分布体积对值,表明新型采样吸附剂具有湿度影响小、储存稳定的特点,对典型挥发性有机化合物都有较大的穿透体积,采样合格率达到100%.此吸附剂不仅保留了单壁碳纳米管原有优良的吸附性能,而且有效改善了单壁碳纳米管吸附管采样透气性,显著提高了采样精密度,可以广泛应用于实际气体样品采集.     

单壁碳纳米管的CVD合成及管径分布

甲烷在以活性氧化铝为载体的Fe、Co、Ni、Ru等催化剂上于850 ℃分解并生成直径为0.8～5 nm的单壁碳纳米管.预先将催化剂在1100 ℃焙烧,能够减少产物中无定形碳的生成.拉曼光谱结果表明,由该法制备的碳纳米管的管径分布主要受温度的影响,较低温度有利于较小直径的单壁碳纳米管的生成和较好的管径选择性.     

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.     

单壁纳米碳管的纯化研究

A purification method to remove the metal catalysts and impurity carbon materials from arc-discharge-grown single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) has been developed. Microporous membrane and the oxidation in the air for the crude SWCNTs were used to eliminate the coexisting metal catalysts nanoparticles，carbon nanoparticles and amorphous carbon. Then we used the high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) to characterize the crude SWCNTs prepared by arc-discharge method and the purified SWCNTs. The Raman spectra and the thermogravimetric analysis (TGA) were also utilized to analyze the approach of our purification for SWCNTs. With this method the SWCNTs with the purity more than 95% could be obtained.     

FeCo/MgO催化生长体相单壁碳纳米管的直径调控

单壁碳纳米管的直径可控生长是碳纳米管生长与应用领域的重要问题。直径在0.9–1.2 nm范围内的碳纳米管非常适合应用于近红外荧光生物成像领域和量子器件单光子光源之中。本文使用FeCo/MgO催化剂生长出了直径在这一范围内的体相单壁碳纳米管,并研究了催化剂制备和CVD生长条件对碳纳米管直径的影响。催化剂前驱体的制备是获得小尺寸催化剂颗粒的关键步骤。在浸渍过程中,使用难水解的金属硫酸盐作为前驱体、降低浸渍pH以及加入络合剂分子都会抑制溶液干燥过程中金属盐的水解,从而控制催化剂的尺寸,使其适合于生长出直径可控的单壁碳纳米管。在CVD生长过程中,使用乙醇作为碳源、使用较低的碳氢比例也有利于小直径碳纳米管的生长。     

利用沸腾床反应器制备碳纳米管

碳纳米管自1991年被日本NEC的Iijima发现以来,已经引起物理、化学和材料科学领域学者的广泛关注,并成为研究热点,理论和实验研究表明,碳纳米管具有独特的电学和力学性质,其导电性与管本身的直径和管的螺旋度有关,随着这些参数的变化,碳纳米管可表现出导体或半导体的性质。扬氏模量的测量表明,碳纳米管具有极高的强度,这些都预示着它具有广泛的应用前景。     

基于单壁碳纳米管/Nafion/铜纳米粒子复合材料的多巴胺传感器的研制

通过电沉积金属铜于单壁碳纳米管( SWNTs)/Nafion 修饰的玻碳电极表面构建了一种经济且制备简单的多巴胺传感器。该纳米材料的形貌和成分用扫描电镜和能谱仪表征。不同扫速和pH条件下,以其修饰玻碳电极构建的电化学体系受吸附控制。多巴胺在该电极表面的反应机理为两电子双质子的过程,电荷转移系数α=0.6,电子转移数n=2.67,异相电子转移速率ks=1.38 s-1。在优化条件下,用微分脉冲伏安法检测多巴胺的线性方程为Ipa(μA)=-0.054c(μmol/L)-3.82(R2=0.9988),线性范围5~100μmol/L,检出限为0.014μmol/L(S/N=3)。此传感器制备简单、成本低、灵敏性高、稳定性好、重现性好,检测人尿液中多巴胺的回收率为96.5%~100.4%,相对标准偏差为1.2%~2.4%。     

The Cohesive Energy and Vibration Characteristics of Parallel Single-Walled Carbon Nanotubes

Based on the van der Waals (vdW) interaction between carbon atoms, the interface cohesive energy between parallel single-walled carbon nanotubes was studied using continuous mechanics theory, and the influence of the diameter of carbon nanotubes and the distance between them on the cohesive energy was analyzed. The results show that the size has little effect on the cohesive energy between carbon nanotubes when the length of carbon nanotubes is over 10 nm. At the same time, we analyzed the cohesive energy between parallel carbon nanotubes with the molecular dynamics simulation method. The results of the two methods were compared and found to be very consistent. Based on the vdW interaction between parallel carbon nanotubes, the vibration characteristics of the two parallel carbon nanotube system were analyzed based on the continuous mechanical Euler-beam model. The effects of the vdW force between carbon nanotubes, the diameter and length of carbon nanotubes on the vibration frequency of carbon nanotubes was studied. The obtained results are helpful in improving the understanding of the vibration characteristics of carbon nanotubes and provide an important theoretical basis for their application.     

电场对(4, 0)Zigzag模型单壁碳纳米管的影响

The structural and electronic properties of a (4, 0) zigzag single-walled carbon nanotube (SWCNT) under parallel and transverse electric fields with strengths of 0-1.4×10~(-2) a.u. Were studied using the density functional theory (DFT) B3LYP/6-31G~* method. Results show that the properties of the SWCNT are dependent on the external electric field. The applied external electric field strongly affects the molecular dipole moments. The induced dipole moments increase linearly with increase in the electrical field intensities. This study shows that the application of parallel and transverse electric fields results in changes in the occupied and virtual molecular orbitals (Mos) but the energy gap between the highest occupied MO (HOMO) and the lowest unoccupied MO (LUMO) of this SWCNT is less sensitive to the electric field strength. The electronic spatial extent (ESE) and length of the SWCNT show small changes over the entire range of the applied electric field strengths. The natural bond orbital (NBO) electric charges on the atoms of the SWCNT show that increase in the external electric field strength increases the separation of the center of the positive and negative electric charges of the carbon nanotube.     

碳纳米管的化学修饰以及作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究

采用硫酸和硝酸混合酸对催化裂解法(CVD法)制备的多壁碳纳米管(MWNNTs)进行纯化,然后运用硬脂酸对碳纳米管进行表面修饰,并研究了硬脂酸修饰后的碳纳米管的表面状况以及作为润滑油添加剂的摩擦学行为．实验结果表明,在硫酸催化剂作用下,通过酯化反应碳纳米管能够被硬脂酸包覆,并且硬脂酸修饰的碳纳米管作为润滑油添加剂能够显著提高基础油的减摩抗磨性能,当添加量为0．15％左右时,润滑油的减摩抗磨性能最佳,与基础油相比可以使摩擦系数下降10％左右,磨损量下降30％～60％．     

钴配合物/单壁碳纳米管修饰电极对尿酸的检测

采用滴加单壁碳纳米管(SWCNTs)悬浮液和电沉积钴配合物[Co(phen)3]2+(phen=邻菲啰啉)的方法,制备了钴配合物-单壁碳纳米管修饰玻碳电极([Co(phen)3]2+-SWCNTs/GCE),研究了尿酸(UA)在该修饰电极上的电化学行为。结果表明,修饰电极对UA具有良好的电催化作用,在1~249μmol·L-1浓度范围内,氧化峰电流与UA浓度之间存在良好的线性关系,检出限(S/N=3)为1μmol·L-1,加标回收率在98%~102%之间。该修饰电极的稳定性和重现性好,可用于UA的定量分析。     

电弧放电法制备大面积高纯单壁碳纳米管薄膜

介绍了一种制备大面积高纯度单壁碳纳米管(SWCNT)薄膜的新方法. 利用改进的电弧放电法, 在真空放电室内分别安装两枚石墨极板, 使之形成一个球冠型电容器. 使用这种新型装置, 可以在两枚球冠型石墨极板之间产生一个合适的附加电场和成膜基板, 通过控制放电时间, 可在阴极的球冠型石墨极板上制备出厚度从数微米至1毫米不等的SWCNT薄膜. 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱和热重分析(TGA)的表征结果表明, 这个方法可以高效地制备具有高纯度的SWCNT薄膜.     

单壁纳米碳管的纯化及表征

利用微孔膜及空气氧化法逐步除去电弧放电法制备的单壁纳米碳管(SWCNTs)中的金属催化剂粒子、碳纳米粒子、无定形碳等杂质,并利用热重分析（TGA）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）及拉曼（Raman）光谱,对每一步得到的产物进行分析表征.实验证明,该方法对单壁纳米碳管的纯化是比较有效的,可以得到纯度在90％以上的单壁纳米碳管.