[发明专利]碳纳米管的还原性官能化

说明书

本发明在授权号为N00014-01-1-0789的Office of Naval Research支持下完成。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年3月12日提交的美国临时申请序列号60/552550和于2004年9月17日提交的60/611045的优先权。

发明领域

本发明一般涉及碳纳米管，具体涉及通过还原途径衍生碳纳米管的方法。

发明背景

碳纳米管(CNT，aka富勒烯管)是纳米级碳结构，其包含本身在概念上卷起并且其端部被富勒烯盖封闭的石墨烯(graphene)片。单壁碳纳米管(SWNT)包括仅一个这种石墨烯柱，而多壁纳米管由两个或更多个以类似于俄罗斯嵌套玩偶的方式一个套另一个的同心石墨烯层制成。自从在1993年首次制备SWNT(Iijima等，Nature，1993，363，603；Bethune等，Nature，1993，363，605；Endo等，Phys.Chem.Solids，1993，54，1841)以来，由于它们独特的机械、光学、电子和其它性质，人们对SWNT进行了广泛的研究。例如，SWNT杰出的拉伸强度使它们可用于加强纤维和聚合物纳米复合物(Zhu等，Nano Lett.2003，3，1107及其参考文献)。对于CNT的其它已有和潜在的应用，参见Baughman等，Science，2002，297，787-792。

SWNT通常可以自组装到集合体或束中，其中可有高达数百的纳米管通过范德华力被约束在一起。对于许多应用，包括生物医药应用，从这些纳米管束中分离出单个纳米管是非常重要的。这种分离提高了纳米管在常用有机溶剂和/或水中的分散性和溶解性，这两种性质是对它们进行处理和操作必需的。SWNT表面的共价改性通过提高纳米管的溶解度/可悬浮性和可加工性通常有助于解决此问题。虽然纳米管端部的化学官能化一般不会改变这些材料的电子性质和体相性质，但是侧壁官能化可以明显改变纳米管的内在性质(Chen等，Science，1998，282，95-98；Mickelson等，Chem.Phys.Lett.，1998，296，188-194)，并且通常对纳米管的溶解度/可悬浮性有更深入的影响(Boul等，Chem.Phys.Lett.，1999，310，367-372)。但是，该化学新领域中已经证明的结果的范围是有限的，主要是因为目前纳米管的成本较高。

SWNT侧壁改性中面临的其它挑战涉及它们较差的活性-主要是由于所述纳米管壁的曲率相对于活性更高的富勒烯来说要低得多((M.S.Dresse-lhaus，G.Dresselhaus，P.C.Eklund，Science of Fullerenes and CarbonNanotubes，Academic Press，San Diego，1996，第1卷)，以及由于石墨烯壁连接的官能团数目和大小增加时管式结构内的生长应变。所有构成纳米管骨架的碳原子的sp²键态使得主要发生加成类型的反应。这些反应最典型的例子包括由重氮盐产生的氮宾、偶氮甲碱内鎓盐和芳基加成到SWNT上(V.N.Khabashesku，J.L.Margrave，Chemistry of Carbon Nanotubes inEncyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology，Ed.H.S.Nalwa，AmericanScientific Publishers，2004；Bahr等，J.Mater.Chem.，2002，12，1952；Holzinger等，Angew.Chem.Int.Ed.，2001，40，4002)。其它报导的SWNT的侧壁官能化涉及有机基(Peng等，Chem.Commun.，2003，362；Ying等，Org.Lett.，2003，5，1471；Peng等，J.Am.Chem.Soc.，2003，125，15174)和Bingel反应(Coleman等，J.Am.Chem.Soc.，2003，125，8722)。另外，已有报导在Birch还原条件下发生氢加成到SWNT侧壁的反应(Pekker等，J.Phys.Chem.B，2001，105，7938)。