聚合物改性碳纳米管及其在催化、生物学领域的应用

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1、聚合物改性碳纳米管及其在催化，生物学领域的应用@聚合物改性碳纳米管及其在催化、生物学领域的应用摘要碳纳米管自从被发现以来，由于其独特的结构(如高比表面积与螺旋结构)、优异的性能(如电学、力学与光学)以及在材料领域的潜在应用，引起研究者广泛的关注。然而，碳纳米管间较强的相互作用及不溶于任何溶剂，极大地制约了它的应用。因此，对碳纳米管进行改性以提高其在溶剂及基材中的分散性，具有十分重要的意义。到目前为止，已经报道了多种改性碳纳米管的方法，一般可划分为物理改性与化学改性两大范畴。化学改性不仅能提高碳纳米管

2、的分散性，而且能赋予碳纳米管新的性质。原位自由基聚合反应是一种简单、有效改性碳纳米管的方法。但目前文献所报道的改性途径，需耗费大量的溶剂与单体，在实验室水平上一次只能改性毫克级的碳纳米管。在本论文中，我们实现了一种原位自由基聚合改性碳纳米管的新途径(沉淀聚合)，用较少的溶剂与单体可批量制备亲水或亲油性的碳纳米管，并对改性机理也进行了讨论。另外，在医用方面，改性碳纳米管被成功地用于淋巴示踪与基因转染；在催化方面，负载了铂催化剂的改性碳纳米管用于柠檬醛的选择性催化氢化反应，并取得了良好的实验结果。围绕以

3、上研究内容，主要获得了以下三个方面实验结果：(1)首先，我们采用原位沉淀聚合反应的方法，对单壁碳纳米管进行了改性研究。并用拉曼、紫外光谱、高倍透射电子显微镜与原子力显微镜对其进行了表征。实验结果表明聚合物成功地接枝到单壁碳纳米管上。原位自由基聚合反应改性单壁碳纳米管的机理同日常生活中“钓鱼”过程极为相似。当活性聚合物自由基增长到临界链长“鱼”时，便从溶剂中析出直接吸附到单壁碳纳米管“鱼钩”上，由于此时聚合物的端基自由基还具有活性，所以该自由基与碳纳米管上的活性点反应，而接枝在碳纳米管上。因此，该方法

4、可以实现用较少的溶剂与单体即可批量改性单壁碳纳米管，如用0．5g甲基丙烯酸甲酯，在100mL甲醇与水的混合溶剂中(醇水体积比为1：4)，可改性1g单壁碳纳米管，聚甲基丙烯酸甲酯的接枝量约为20wt％。尽管单壁碳纳米管的活性高于多壁碳纳米管，但其制备成本博学而茑志切同而静思聚合物改性碳纳米管及其在催化、生物学领域的应用远高于多壁碳纳米管，因此我们也尝试了用沉淀聚合方法改性多壁碳纳米管。经过实验证实，用沉淀聚合反应也能有效的制备亲水或亲油的多壁碳纳米管。经过反应，用较少的溶剂与单体，可将多种聚合物接枝到

5、的多壁碳纳米管上，这种改性方法具有很好的工业化应用前景。(2)从文献中获知，亲水碳纳米管是较好的生物材料。因此，在我们的实验中，用沉淀聚合反应将亲水性的聚丙烯酸接枝到多壁碳纳米管上。通过溶剂的调整，可控制碳纳米管上接枝聚丙烯酸的链长。通过不同的离心强度，可将改性程度不同的碳纳米管分离。通过这些优化处理，可得到高密度聚丙烯酸长链接枝的碳纳米管。这些碳纳米管能稳定地分散在去离子水、生理盐水与标准的细胞培养液中。实验表明，这些改性碳纳米管的细胞毒性较低且能示踪淋巴，也能将DNA质粒携带到细胞内。这也意味着

6、，改性碳纳米管作为一种新型载体，可携带抗癌药有选择性的进入淋巴系统，治疗淋巴系统中的癌变组织，并防止癌细胞转移。(3)采用化学沉积技术，通过加入适量的特定离子(Cu“或N03")，在改性的多壁碳纳米管上负载不同密度、大小，形状与晶态的铂纳米粒子，并将其用于柠檬醛选择性催化氢化。实验结果发现，无定性的多晶铂在较低温度下(60oC)有较高的活性(转化率>90％)与较高的单分子催化加氢的选择性(约为100％)，但立体选择性(香叶醇／橙花醇)较差(1．9)。多面体(四面体与八面体)单晶铂有较高的立体选择性(

7、5．4)，而多角体(四角体与八角体)单晶铂的立体选择性较低(2．2)。实验发现多面体单晶铂中，暴露在外面的面均是{111’面，而这些面在多角体中遭到了破坏。所有这些实验说明密堆积的{111}面对香叶醇具有立体选择性。另外，实验还发现，接枝的聚丙烯酸的量对负载铂纳米粒子有重要的辅助作用。关键词：单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、沉淀聚合反应、异相成核、l临界链长、分散性、淋巴示踪、柠檬醛催化氢化，催化活性、立体选择性、单分子催化加氢选择性、晶面。博学而茑志切问而静思Ⅱ聚合物改性碳纳米管及其在催化、生物学领域

8、的应用FunctionalizationofCarbonNanotubeswithPolymersandTheirApplicationintheFieldsofCatalysisandBiomedicineAbstractSincetheirdiscovery，calbonnanotubes(c卜rrs)haveattractedgreatattentionsalloVertheworld,duetotheirintrinsic蛐mct_盯龉(c晷largeaspe