碳纳米管表面接枝聚合物动力学的粗粒化模拟研究

本研究采用粗粒化分子动力学模拟结合随机聚合反应模型,对碳纳米管(CNT)表面以grafting-from方式接枝聚合物的接枝动力学进行了研究.研究结果表明,适当调控表面曲率可以有效提高接枝聚合物链的接枝密度.此外, CNT表面曲率对接枝聚合物链的多分散性指数也有一定影响.在引发剂位点密度较低时,接枝聚合物的分子量分布趋向于泊松分布特征.本研究在深入理解CNT表面grafting-from接枝过程的动力学主控因素,以及拓展grafting-from技术的应用等方面具有一定的理论指导意义.     

针尖化学方法研究单壁碳纳米管末端羧基的解离性质

针尖化学利用化学手段对扫描探针显微镜 ( SPM)的针尖进行功能化修饰 ,将其作为化学反应的“探针”用于研究表面的局域化学反应性质、跟踪表面发生的化学反应过程等 [1] .用针尖化学技术来研究自组装膜 ( SAMs)表面酸碱基团的局域解离性质 ,称之为化学力滴定 [2～ 8] .利用表面缩合方法将单壁碳纳米管短管组装到 AFM针尖上 ,通过测定针尖上碳纳米管的末端基团与羟基自组装膜表面之间的粘滞力 ,研究碳纳米管末端羧基的解离性质 ,可得到碳纳米管结构与化学性质的信息 .1　实验部分1 .1　碳纳米管针尖和羟基末端自组装膜的制备　基底 [Si( …     

碳离子碰撞单壁碳纳米管的动力学

采用分子动力学方法研究了碳离子碰撞碳纳米管中顶位、键中心和六元环中心的动力学过程。通过分析低、中、高3种入射能分别对碰撞过程的影响,探索了典型缺陷形成的微观演化过程。研究结果表明,碰撞碳纳米管中不同空间位置,其碰撞结果差异较大,其中顶位碰撞阈能最低,约为20 eV;碰撞六元环中心时碳管会发生严重变形,损伤最为严重。通过分析入射离子动能,碳纳米管热动能、质心动能以及势能随时间的演化规律,阐述了碰撞过程中的能量转移机制。     

碳离子碰撞单壁碳纳米管的动力学

采用分子动力学方法研究了碳离子碰撞碳纳米管中顶位、键中心和六元环中心的动力学过程。通过分析低、中、高3种入射能分别对碰撞过程的影响,探索了典型缺陷形成的微观演化过程。研究结果表明,碰撞碳纳米管中不同空间位置,其碰撞结果差异较大,其中顶位碰撞阈能最低,约为20 e V;碰撞六元环中心时碳管会发生严重变形,损伤最为严重。通过分析入射离子动能,碳纳米管热动能、质心动能以及势能随时间的演化规律,阐述了碰撞过程中的能量转移机制。     

尿素/氧化三甲胺混合溶剂影响单壁碳纳米管内部水合性质的分子动力学模拟

尿素是早已被人们认识的蛋白质变性剂,而氧化三甲胺则是最常用的蛋白质结构保护剂。虽然多年来被广泛应用在生物实验中,但是它们是如何在蛋白质结构形成中起作用,特别是氧化三甲胺是如何在高浓度尿素环境中起到抑制尿素蛋白变性作用的分子机制,至今仍然没有得到圆满解答。本文以单壁碳纳米管为模型疏水体系,采用分子动力学模拟研究尿素/氧化三甲胺混合溶液中纳米管内部水合性质,结果表明氧化三甲胺更易与水分子和尿素分子形成较强相互作用从而稳定了水溶液结构,这一结果亦表明了氧化三甲胺可以通过间接机制抵消尿素分子对于碳纳米管内部水合性质的影响。     

碳纳米管表面羧基对纳米RuO2颗粒的分散作用

采用硝酸氧化方法对多壁碳纳米管(CNT)的侧壁进行修饰,得到表面羧基含量可控的CNT,并进一步考察了碳管表面基团分布与纳米RuO2催化剂在CNT上的分散度及催化氧化活性之间的关系.以多齿羧酸配体作为稳定剂,合成了RuO2和IrO2纳米颗粒水溶胶,并通过改变配体的种类及数最对纳米颗粒团聚体粒径进行调控.研究结果表明,羧酸配体和碳管表面的羧基均有助于纳米氧化物颗粒的分散.     

碳纳米管的聚合物功能化与结构控制:聚合物接枝碳纳米管

碳纳米管高分子化是发展高性能的聚合物基纳米功能材料的重要研究方向,本文从"grafting-to"和"grafting-from"两种方式对聚合物接枝碳纳米管的最新进展进行了系统综述。"Grafting-to"方法主要包括羧基衍生反应(酰化、酯化)、加成反应(大分子自由基加成、叠氮环加成)和硫醇偶联反应。"Grafting-from"方法包括普通自由基聚合、可控/活性自由基聚合、离子聚合、开环聚合和逐步聚合反应,其中碳纳米管表面引发活性自由基聚合进一步分为原子转移自由基聚合、氮氧稳定自由基聚合和可逆加成-断链转移聚合。此外,本文还简述了碳纳米管自身的聚合反应,并探讨了目前聚合物修饰碳纳米管所面临的问题和今后的发展方向。     

聚氨酯接枝多壁碳纳米管的制备及表征

采用两步法成功地将聚氨酯分子链以共价键连接到碳纳米管表面. 首先将聚丙烯酰氯通过与强酸氧化后多壁碳纳米管表面产生的羟基及少量羧基之间的化学反应共价接枝到碳纳米管表面; 然后将接枝到碳纳米管表面的聚丙烯酰氯与端羟基聚氨酯发生酯化反应, 实现了聚氨酯对碳纳米管的表面共价接枝. 采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM) 和热重分析(TGA)等对接枝后的产物进行了表征, 结果表明, 聚氨酯已共价接枝到碳纳米管表面, 被接枝的聚合物的含量接近90%.     

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。     

锯齿形单壁碳纳米管的穿透能研究

基于分子动力学方法,研究了载能碳离子碰撞锯齿形单壁碳纳米管过程中初级碰撞原子(PKA)的运动过程和能量变化过程.分析了手性指数为(2n+1,0)(n=2~9)的单壁碳纳米管中PKA的穿透能与载能碳离子入射能间的关系.结果表明,穿透能与入射能之间呈线性增长关系,线性变化的斜率与碳纳米管直径有关.通过分析PKA势能随模拟时间的变化规律,阐述了初级碰撞原子的穿透能随入射能的增加而增加的物理机制.     

细胞在单壁碳纳米管无纺膜支架上的生长行为

以具有纳米拓扑结构特征的单壁碳纳米管无纺膜材料为支架, 选择在促进组织修复和再生中起重要作用的成纤维细胞株作为实验细胞, 研究了该材料对细胞生长行为的影响. 通过X射线光电子能谱分析, 表征其在细胞培养液中浸泡后的表面化学组成; 通过细胞粘附、增殖实验以及细胞骨架发育观察, 探讨了材料的微观纳米拓扑结构对细胞的作用, 以及与碳纤维、聚氨酯浇铸膜和空白培养板材料对细胞作用的差异和可能的机理; 并采用双层细胞培养装置, 研究了该材料通过细胞通讯途径对在其它材料上生长的细胞增殖的影响. 实验结果表明, 单壁碳纳米管无纺膜材料为细胞提供了十分接近天然细胞外基质的人造微环境, 具有显著促进细胞粘附和长时间增殖的功能, 而且生长在该支架上的细胞可能通过旁分泌方式将某些化学介质分泌到细胞外液中, 经局部扩散作用于在其它材料上生长的细胞, 促进它们的增殖.     

接枝羟基对有限长碳纳米管电子结构的影响

基于局域密度泛函理论, 采用第一原理方法, 建立了(5, 5)型和(8, 0)型有限长碳纳米管的原子模型, 并在两个端口接枝1～8个羟基官能团, 先用DMol3中BLYP方法对其结构进行优化, 再利用CASTEP软件计算其电子分布和态密度的变化, 从而讨论羟基官能团对碳纳米管电子结构和电子输运特性的影响. 计算表明, 接枝羟基的碳纳米管的电子结构明显改变, 费米能级上的电子态密度下降, 最高占据轨道上电子的非定域程度减弱, 致使电子输运性能呈下降趋势.     

碳纳米管担载CuCoCe催化剂催化合成气制低碳醇的性能

以碳纳米管为载体,采用等体积浸渍法制备了一系列Cu Co Ce催化剂,考察了碳纳米管长度及羧基官能团对该系列催化剂催化合成气制低碳醇反应性能的影响;采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂进行了结构和性能表征.实验结果表明,以含有羧基官能团的、长度为0.5~2μm的碳纳米管为载体时,催化剂的低碳醇时空收率最高,达到783.72mg·gcat-1·h-1,醇产物中C2+醇选择性达到82.71%.研究结果表明,短纳米管有利于活性金属进入碳纳米管内部,并促使活性组分分散均匀,这对CO转化率和低碳醇时空收率的提高有显著作用;碳纳米管上羧基官能团的存在促进了金属与金属、金属与载体之间的相互作用,从而使醇产物中C2+醇选择性明显提高.     

纳米碳管表面羧基化及其电还原性能

应用红外吸收光谱、扫描电子显微镜分别对纳米碳管和硝化后的纳米碳管进行表征,将其制备成粉末微电极,并在碱性溶液中测试它对对硝基苯酚的电还原性能.实验表明:经硝化处理后,碳管表面修饰了羰基,其电还原性能明显提高.依据实验结果探讨了硝化后纳米碳管于对硝基苯酚电还原过程中的反应机理.     

催化剂制备条件对碳纳米管的影响

用柠檬酸络合法制备的Ni-La-Mg型催化剂催化裂解甲烷合成碳纳米管，并通过测定活性镍表面积研究了催化剂制备过程中柠檬酸浓度及活化温度对碳纳米管生成的影响，TEM测定结果表明，经凝胶自燃烧产生的催化剂，可通过改变柠檬酸的浓度来制得不同粒径的催化剂颗粒，从而获得一定管径的碳纳米管，另外，在500－700℃内，活化温度对催化剂活性影响不大，只有在较低或较高温度时对活性才有较大的影响。     

碳纳米管的电化学贮氢性能研究

研究了碳纳米管电极的电化学性能 ,其电化学储氢量达到 2 0 0mAh·g 1且具有高的电化学活性和良好的循环寿命 .采用循环伏安法研究了氢在碳纳米管电极上吸附 /氧化机理 .     

活化和表面改性对碳纳米管超级电容器性能的影响

用KOH为活化剂对碳纳米管（CNTs）进行活化；用浓硝酸为氧化剂对活化CNTs进行表面改性.通过TEM、BET和IR对经过活化和表面改性的CNTs进行了分析,并运用循环伏安和恒流充放电测试研究了活化和表面改性对CNTs超级电容器性能的影响.结果表明,通过活化使CNTs的比表面积增大,从而使其比电容从未活化时的43 F•g－1提高到73 F•g－1；通过表面改性引进赝电容,使电容器的比电容进一步提高到94 F•g－1.     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1:1的甲醇-水混合溶液在纳米碳管(CNT)中的静态结构以及输运行为.研究发现:在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失.另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1：1 的甲醇-水混合溶液在纳米碳管（CNT）中的静态结构以及输运行为. 研究发现：在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失. 另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.