[發明專利]碳納米管分離方法

有效

• 申請號: 201510084560.4
• 申請日: 2015-02-16
• 公開（公告）號: CN104692358B
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 劉華平
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: C01B32/168
• 分類號: C01B32/168;B82Y30/00
• 代理公司: 北京成創同維知識產權代理有限公司 11449
• 代理人: 蔡純;馮麗欣

公開了一種碳納米管分離方法。所述碳納米分離方法包括：配制碳納米管分散溶液；以及執行連續的多次分離操作，在色譜柱的出口處，在不同的時間段分步收集流出液，以獲得包含不同直徑和/或不同手性的碳納米管的溶液；其中，所述色譜柱中填充的填料為葡聚糖凝膠，在所述多次分離操作中，隨后的分離操作采用的碳納米管分散溶液為先前分離操作的首次流出液。所述碳納米管分離方法可以提高碳納米管的區分度和分離效率。

技術領域

本發明涉及納米材料領域，具體涉及碳納米管分離方法。

背景技術

單壁碳納米管(SWCNTs)是由單層石墨烯卷曲的一維管狀分子材料，具有許多優異的力學、電學及光學等性質。在很多領域具有廣闊的應用前景。SWCNTs優異的力學、電學及光學等性質來源其特殊的結構。結構上的微小差異將導致其性質的巨大不同?，F有的SWCNTs生長技術如高壓一氧化碳合成法(High pressure carbon monoxide synthesis，HiPCO)、電弧放電法(arc discharge)、激光蒸發法(Laser Ablation)、化學氣相淀積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)等,所獲得的產物都是直徑大小不同，手性結構各異的SWCNTs的混合物。碳納米管的手性結構與其螺旋度和電學性能有關。獲得單一手性的SWCNTs是研究碳納米管性質及其在光電子器件、生物成像及能源安全等領域應用的前提條件。

現有的SWCNTs的水溶液分離法(如離子交換色譜法、密度梯度離心色譜法、凝膠色譜法等)包括將碳納米管吸附在色譜柱的填料上，以及利用不同類型的碳納米管與填料的吸附強度的不同，洗脫分離至少一種類型的碳納米管。水溶液分離法主要適用于直徑較小的SWCNTs的結構分離，對于直徑大于1.1納米的半導體SWCNTs的直徑或手性結構的分離仍然較困難，主要原因是直徑較大的不同結構SWCNTs表面在水溶液中吸附的表面活性劑分子的密度差異較小，導致了它們的質量密度或與色譜介質的吸附作用力差異較小，最終阻礙了直徑較大半導體SWCNTs的直徑或手性的有效分離。

然而，在應用中對大直徑半導體碳納米管存在著需求。大直徑半導體碳納米管比小直徑半導體SWCNTs具有更高的載流子遷移率和電導率，更適合制備高性能場效應晶體管，射頻電路等電子器件。另一方面大直徑半導體SWCNTs由于較窄的能帶寬度，光吸收或激發波長相對較長。在宏觀光學器件的應用上，適合制備長波長的紅外探測器。

現有的水溶液分離法局限于分離小直徑半導體SWCNTs的手性結構，嚴重阻礙了碳納米管的研究和應用。由于色譜柱的填料吸附至少一部分碳納米管，因此在每次分離之后都需要清洗色譜柱?，F有的水溶液分離法難以連續操作，從而限制了碳納米管的分離效率。

發明內容

有鑒于此，本發明提出一種碳納米管分離裝置及方法，利用不同直徑或/和不同手性的碳納米管在色譜柱填料中流動速率的不同，不僅能夠分離與色譜柱填料作用力差異較大的碳納米管，更重要的是能夠分離直徑較大，與色譜柱填料作用力差異較小的半導體碳納米管。

根據本發明的一方面，提供一種碳納米管分離裝置，包括：色譜柱，所述色譜柱具有入口和出口，并且在色譜柱中填充有填料；用于容納第一表面活性劑溶液的第一容器；用于容納碳納米管分散溶液的第二容器，所述碳納米管分散溶液包含不同直徑和/或手性的碳納米管；用于收集色譜柱的流出液的第三容器；與第一容器相連接的第一分支管道；與第二容器相連接的第二分支管道；與第一分支管道、第二分支管道和色譜柱的入口相連接的主管道；設置在第一分支管道上的第一閥門；設置在第二分支管道上的第二閥門；以及設置在主管道上的輸送泵，其中，所述輸送泵驅動溶液在主管道中流動，使得在第一閥門開啟期間向色譜柱中注入第一表面活性劑溶液，在第二閥門開啟期間向色譜柱中注入碳納米管分散溶液，所述輸送泵在注入碳納米管分散溶液之后持續注入第一表面活性劑溶液，以維持色譜柱中的溶液流動狀態，使得不同直徑和/或手性的碳納米管的流動速率不同，所述第三容器在不同的時間段分步收集流出液，以獲得包含不同直徑和/或不同手性的碳納米管的溶液。