新型凝胶法单壁碳纳米管结构分离技术的探究

发布时间：2019-09-17 10:19

【摘要】：单壁碳纳米管(SWCNTs)自从被发现以来,凭借其优异且独特的各项性质,在各领域都展现出广阔的应用前景,一直是广大科研人员的研究热点。但是,目前制备技术所得产物往往是各种结构碳管的混合物,这其中性质不同的碳管将很大程度制约了碳管的应用。以电学性质为例,根据碳管的结构,其电学性质可分为半导体型和金属型,且半导体型碳管的能带宽度也随着结构的变化而变化。因此,如何对碳管产物进行后处理从而实现不同结构碳管的选择性分离是当今科学界亟待解决的难题。本工作主要是以凝胶色谱碳管分离法为研究对象,通过优化技术中的各项参数,并借鉴其他分离技术,努力寻找和设计出效果更好的新型凝胶法碳管分离技术,主要研究内容及结果如下:(1)对于传统的基于一种表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的凝胶法,由于该分离体系对碳管结构的识别度较低,碳管的结构分离需要进行多次重复的实验,方法非常繁琐。本文介绍了一种SDS溶液分步洗脱技术,可以让分离全程仅在一根凝胶柱进行,大幅提升了分离效率,且分离效果也维持了之前的水平。此外,我们还发现乙醇对分离过程也有较大的影响,并发明了一种新颖的“乙醇助凝胶色谱法”。该方法不仅同样有着较高的分离效率,而且还降低了SDS的工作浓度,更大程度地节约了实验的成本。(2)为了进一步提升碳管分离效果,我们尝试地在凝胶法中同时使用几种表面活性剂,并详细地探索了十二烷基硫酸钠SDS,脱氧胆酸钠DOC以及胆酸钠SC之间搭配方式和各自的作用。最终,我们基于这些结果,让三种表面活性剂在分离过程中各司其职,实现了11种单一结构的半导体型碳管的分离,其中五种结构碳管的纯度甚至高达90%以上。碳管手性结构分离效果已达到之前文献的最佳水平,而镜像体结构的分离纯度比之前最好的结果高出了数十倍。(3)此外,我们根据实验结果,总结出了凝胶法碳管分离的机理模型,对今后的碳管分离技术有较大的参考价值。我们发现不同结构碳管与凝胶之间的作用力是碳管分离的关键,而作用力差异的来源则是由于碳管外壁的表面活性剂胶束层厚度或致密度不同。
【图文】：

示意图,单壁碳纳米管,石墨,单根

1.1 引言碳元素是自然界中含量最为丰富的几种元素之一，它能够以多种物质形态，广泛地存在于地球上，是构成一切物质的基础。而在所有碳基材料中，碳纳米材料（特征维度尺寸介于 1 至 100 nm），更是凭借其具有别于宏观材料的优异性能，在短短几十年内迅速发展成为各大科研小组争相研究的明星材料。常见的碳纳米材料主要包括：富勒烯 C60[1]，，碳纳米管[2]以及石墨烯[3]，富勒烯和石墨烯更是分别获得了 1996 年的诺贝尔化学奖和 2010 年的诺贝尔物理奖。而作为同属一个大家庭的碳纳米管，自其 1991 年被日本科学家 Iijima[2]发现以来，也同样是科学界的研究焦点，并在 2008 年获得 Kavli 纳米科学奖。虽然碳纳米管一直都是诺贝尔奖的有力竞争者，但却多次遗憾地与其失之交臂，这一部分也归咎于碳管领域一些研究壁垒和难题尚未被攻克。因此，我们相信，经过广大科研人员在这个领域的不断努力，碳纳米管将会有更多、更优异的性能被挖掘出来。

示意图,单壁碳纳米管,结构模型,结构参数

IBM 公司的 D.Bethune[10]几乎同时、各自独立地发现单壁碳纳米管以来，这种极具潜力的材料就一直是各领域的一个研究热点。1.2 单壁碳纳米管的结构单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）可以看作是由单层石墨烯卷曲而成的中空圆筒状材料，卷曲示意图如图 1.1 所示[11]。可想而知，由于卷曲方式的不同，单壁碳纳米管势必会具有不同的分子结构，而结构的差异最终也会导致材料性质的不同。因此，为了更好、更形象地描述各种单壁碳纳米管的结构，科学家就利用了上述模型，将碳管结构的差异等价地看作是由卷曲方式导致，并引入了手性矢量（也称螺旋矢量）。如图 1.2 所示，手性矢量在图中就是一个由 O 点指向 A 点的矢量，用于表达一种以零点 O 为起点；任意点 A 为终点的单层卷曲模型。的表达式如式 1.1 所示：，[12](1.1)
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;O658

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