单壁碳纳米管的分散及其应用研究取得新进展.doc

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1、单壁碳纳米管的分散及其应用研究取得新进展 2011-07-07

2、文章来源：先进炭材料研究部       【大中小】【打印】【关闭】单壁碳纳米管因其独特的结构和优异的性能，在纳电子器件、能量存储器件、结构和功能复合材料等诸多领域具有应用潜力。然而，由于单壁碳纳米管之间很强的范德华作用力(～500eV/µm)和大的长径比(>1000)，通常容易形成大的管束，难以分散，极大地制约了其优异性能的发挥和实际应用。目前，碳纳米管在溶液中的主要分散方法为：非共价功能化、共价功能化和溶剂剥离。其共性是需要借助较大的机械力，如以高频超声、球磨等促进碳纳米管的分散，然后采用高速离心分离去除大

3、的管束。大的机械力不可避免地会损伤碳纳米管，高速离心分离出大的管束而损失碳纳米管。此外，非共价功能化法会引入难以完全去除的表面活性剂或聚合物等辅助碳纳米管分散的添加剂，降低了碳纳米管网络的电、热输运性能；共价功能化法会破坏碳纳米管功能化位点的sp2结构；溶剂剥离法所用溶剂通常毒性大、沸点高且分散效率低。因此，在保持结构完整和无添加剂的前提下，将碳纳米管在普通溶剂中进行有效分散仍是单壁碳纳米管研究与应用面临的重要问题和挑战之一。最近，沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料研究部的科研人员开发了一种单壁碳纳米管在水、酒精、丙酮等常用有机溶剂中自发分散的方法(国家发明专利，2

4、01110180590.7)，无需借助外力和外加分散辅助剂，在很好地保持单壁碳纳米管的结构完整性的前提下，使单壁碳纳米管以单根或小管束的形式均匀分散在溶液中(图1)。该方法的原理主要是基于所制备的单壁碳纳米管产物中通常含有无定形碳、碳纳米颗粒以及碳片段等碳质副产物(CB)，这些碳质副产物较碳纳米管具有更低的结晶性以及更高的化学反应活性，通过控制反应条件可以被选择性功能化，而碳纳米管的结构基本不受影响。据此，他们首先利用发烟硫酸的插层、溶胀作用，将碳质副产物暴露出来，然后通过控制硝酸功能化条件，使得碳质副产物被羧基化(-COOH)，而保持碳纳米管本身的结构完整性。与表面活性

5、剂类似，这些功能化的碳质副产物具有两亲性，可改善碳管与溶剂的相互作用，促进碳纳米管的分散。最后，被超强酸插层、溶胀后的单壁碳纳米管束在溶剂化和功能化碳质副产物助分散作用下克服了相互间的范德华作用力分散成极小管束甚至单根，自发扩散到溶剂中形成稳定的分散液(图2)。该方法分散的碳纳米管可望在薄膜电子、复合材料等领域获得广泛应用。透明导电薄膜是触摸屏、平板显示器、光伏电池、有机发光二极管等电子器件的重要组成元件。碳纳米管透明导电薄膜以其高的透明导电性以及柔韧性的特点，有望取代资源缺乏、脆性的铟锡氧化物成为新一代透明导电膜而获得广泛应用。研究人员利用单壁碳纳米管自发分散液中无添加

6、剂以及单壁碳纳米管高结构完整性的特点，制备出在透光率为82%和90%时表面电阻分别为76和133Ω·sq-1的单壁碳纳米管透明导电膜(图3)，为单壁碳纳米管在透明导电薄膜领域的应用奠定了基础，对促进柔性电子的发展具有重要意义。以上研究得到了国家基金委、中科院和科技部的资助，相关成果发表在AdvancedFunctionalMaterials(2011),21:2330-2337上。图1单壁碳纳米管的自发分散及其分散状态表征与统计a:单壁碳纳米管在水中自发分散i)0min，ii)10min，iii)1h，iv)48h的照片；b:a图中iv)的原子力显微镜照片；c:单壁碳纳米

7、管管束大小的统计图，显示分散液中的单壁碳纳米管大多以单根或小管束的形式存在。图2制备可自发分散单壁碳纳米管的原理及过程a:单壁碳纳米管(SWCNT)束；b:发烟硫酸插层溶胀的单壁碳纳米管束；c:碳质副产物(CBs)选择性功能化后可自发分散的单壁碳纳米管。图3利用自发分散单壁碳纳米管制备的透明导电薄膜的形貌及性能a:薄膜的透射光谱，(插图)薄膜的宏观照片；b:薄膜的扫描照片；c:薄膜透明导电性能随其厚度的变化曲线；d:薄膜的吸收光谱。