[发明专利]采用Fenton反应截短碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用Fenton反应截短碳纳米管，截短以后的碳纳米管有望在纳米器件、复合材料等方面得到广泛应用。属于截短技术领域。

背景技术

碳纳米管作为一维纳米材料，具有许多优异的力学，电学和化学性能。碳纳米管用于纳米器件，场发射显示器，储能材料，生物分子载体材料，复合材料等方面存在着巨大的潜力。但是，值得人们注意的是，在这些潜力得以实现之前，必须解决碳纳米管截短的技术难题。碳纳米管通常有几个到几十个微米长，直径从几个到十几个纳米，高的长径比使得其比表面能非常大，从而导致碳纳米管相互作用形成大管束，并且相互缠绕，弯曲。然而许多材料工程和技术领域却要求数百纳米长的单根碳纳米管。比如，在制造电子器件的过程中，要求能够将一定长度的碳纳米管准确的操作到指定的位置。(K.J.Zieger，Z.Gu，H.Peng，E.L.Flor，R.H.Hauge，R.E.Smalley，J.Am.Chem.Soc.，2005，127，1541)所以，碳纳米管的截短对碳纳米管进一步应用到各个领域有着非常重要的意义。目前，有许多物理、化学和机械方法对碳纳米管进行截短。然而，这些方法中有些需要特殊的设备，如利用光刻工艺对碳纳米管进行截短(S.R.Lustig，E.D.Boyes，R.H.French，T.D.Gierke，M.A.Harmer，P.B.Hietpas，A.Jagota，R.S.McLean，G.P.Mitchell，G.B.Onoa，K.D.Sams，Nano Lett.2003，3，1007)；有些耗费大量的能量，如球磨截短(L.Chen，X.Pang，Q.Zhang，Z.Yu，Mater.Lett.2006，60，241)；有些使用强氧化性的酸对碳纳米管进行截短不仅在操作的时候有危险，而且废弃的酸对环境不利(J.Liu，A.G.Rinzler，H.Dai，J.H.Hafner，R.K.Bradley，P.J.Boul，A.Lu，T.Iverson，K.Shelimov，C.B.Huffman，F.Rodriguez-Macias，Y.Shon，T.R.Lee，D.T.Colbert，R.E.Smalley，Science 1998，280，1253)。因此，研究一种简单有效，能耗低，环境友好的方法截短碳纳米管对促进碳纳米管的应用有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单有效的利用Fenton反应截短碳纳米管的方法。Fenton反应是一种通过产生高氧化势的羟基自由基来降解芳香族有机污染物的绿色高级氧化技术。

本发明的目的是通过下列方式实施的：对碳纳米管进行酸化处理，使之表面产生大量缺陷；在酸化后的碳管外包裹过渡金属氧化物；在芳香族污染物溶液中，加入过渡金属氧化物修饰的碳纳米管和少量双氧水，使之产生羟基自由基攻击碳纳米管缺陷处，得到截短的碳纳米管。所提供的方法具有简便、实用的特点，不需特殊的设备，环境友好，有效截短碳纳米管，对碳纳米管的进一步应用具有重要的意义。

本发明的特征在于采用Fenton反应产生的羟基自由基攻击碳纳米管的缺陷处，使碳纳米管截短。

具体操作步骤是：

(a)对碳纳米管进行酸化处理。将碳纳米管在浓HNO₃溶液或混酸溶液中超声或回流5～30小时，过滤，水洗，干燥；

(b)通过浸渍法在酸化后的碳纳米管外包裹过渡金属氧化物，其为氧化铁，氧化铜的一种，或者是两者的复合物，碳纳米管外包裹的过渡金属氧化物与碳纳米管的质量比为1∶100～1∶1；

(c)将步骤(b)所得的过渡金属氧化物修饰的碳纳米管0.5～50mg加入到0.01～1.0g/L的芳香族污染物溶液中，调节pH值至2.0～6.0左右，加入双氧水，以过渡金属氧化物包裹的碳纳米管单位质量计，加入量为0.02-0.1ml/mg，即0.01-5ml，回流2～10小时后，过滤，干燥，截短后的多壁碳纳米管的长度分布在100nm-500nm以内，截短后的单壁碳纳米管的长度分布在0.2μm-2μm以内。

本发明提供的通过Fenton反应截短碳纳米管的方法具有如下特点：

(1)在纯化碳纳米管的过程中，引入的基团不仅具有一定的功能性，吸附Fe³⁺从而生成Fe₂O₃，而且可以作为缺陷接受自由基的攻击