[發明專利]一種微波分離富集半導體性單壁碳納米管的方法

在審

• 申請號: 201811212460.5
• 申請日: 2018-10-18
• 公開（公告）號: CN109573985A
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 官輪輝;吳初新;繆育明
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C01B32/17
• 分類號: C01B32/17
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及單壁碳納米管分離提純的技術領域，特別是一種分離富集半導體性單壁碳納米管的方法。將原始的固相單壁碳納米管完全潤濕，使水分子充分達到每根單壁碳納米管表面，然后在微波輻射下選擇性地與金屬性SWCNT發生劇烈地氧化刻蝕反應，直至反應停止，最終在短時間內實現了宏量的高純的半導體性單壁碳納米管的分離富集。

技術領域

本發明涉及單壁碳納米管分離提純的技術領域，特別是一種分離富集半導體性單壁碳納米管的方法。

背景技術

單壁碳納米管(SWCNT)是由單層石墨烯片卷曲而成的具有一維中空管狀結構的納米碳材料。由于其獨特的結構以及優異的特性，在電子學、熱學以及力學相關領域具有廣闊的應用前景。然而，現有的成熟的制備方法得到的單壁碳納米管都是金屬性和半導體性單壁碳納米管組成的混合物，影響了單壁碳納米管本征特性的發揮，也限制了單壁碳納米管在諸多領域的實際運用。特別是半導體性單壁碳納米管在柔性及超薄微電子器件領域的產業化應用受到很大地制約。因此，要充分利用單壁碳納米管半導體的特性，就必須對原始混合的單壁碳納米管進行分離提純。近十年來，研究者大多采用以下兩種分離途徑獲得高純的半導體性單壁碳納米管。第一類方法是液相法，即在液相體系中進行，并且在分離富集之前往往先借助表面活性劑、聚合物等輔助試劑或者強超聲、超高速離心等輔助手段將SWCNT形成高度分散的溶液，然后再對SWCNT溶液進行有效分離富集。由于SWCNT通常是隨機地以六角密堆積的管束形式存在，且非常難以分散和溶解在溶劑中。因此，這種類型的方法雖然最后分離富集的半導體性SWCNT純度較高(通常在95％以上)，但是由于實驗過程涉及到超聲分散、超高速離心過程以及較為復雜的實驗設備和操作過程，所以成本較為昂貴且處理量相當有限，一般一次處理量限制在微克量級上，嚴重限制了規模化分離富集的效率。第二類方法是采用固相法，即在固相SWCNT條件下直接進行分離富集，通常要借助一些刻蝕性氣體如二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳等在高溫下進行選擇性刻蝕反應，這種方法雖然可以實現毫克量級的處理量，然而，由于原始的SWCNT并不是以單根離散的形式存在的，而是管與管之間以六角密堆積的管束形式存在，管束之間又是隨機堆疊，相互纏繞；而且金屬性和半導體性SWCNT隨機分布在管束之中，也是隨機纏繞在一起；并且金屬性和半導體性SWCNT之間的化學反應差異性很微弱。使得當采用上述途徑處理宏量SWCNT時，在選擇性刻蝕金屬性SWCNT的同時，不可避免地對與之相鄰或反應性相近的半導體性SWCNT造成破壞，嚴重影響了半導體性SWCNT分離富集的效率和產率，同時由于上述問題及反應效率的問題導致得到的SWCNT不可避免地引入更多的結構缺陷。除此之外，該方法涉及到高溫環境，不僅能耗大且對設備也有腐蝕作用，也會影響該方法的實際推廣。

發明內容

本發明的目的就是針對現有技術的一些不足，提供了一種半導體性單壁碳納米管分離富集的方法，實現半導體性單壁碳納米管高效宏量的富集。

本發明是通過以下技術方案實現的，將原始的SWCNT完全潤濕，使水分子充分達到每根SWCNT表面，然后在微波輻射下，SWCNT管壁表面的水分子迅速解離成大量的活潑氧自由基，該自由基選擇性地與金屬性SWCNT發生劇烈地氧化刻蝕反應，直至反應停止，最終在短時間內實現了宏量的半導體性單壁碳納米管的分離富集。

本發明的方法包括以下步驟：

用適量的水將固相的SWCNT充分潤濕，然后將其置于微波輻照下，在輻照瞬間，SWCNT表面發生劇烈的刻蝕反應，直至刻蝕反應停止，保留下來的SWCNT即為得到的半導體性單壁碳納米管；

所述的充分潤濕，指的是能完全將SWCNT表面潤濕；

所述的固相SWCNT，可以是薄膜狀的、片狀的、粉狀的或是絮狀的固體。

所述的微波輻照，其輻照的時間為5s～30min，優選5s-120s。

所述的SWCNT的管徑為0.5-2.0nm。