[发明专利]从单壁碳纳米管中分离金属性和半导体性纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种从单壁碳纳米管中分离出具有特定手性的碳纳米管的方法，特别是从单壁碳纳米管分离出富集金属性和半导体性碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管具有许多优良的特性，比如极高长径比、高强度、高韧性、良好的化学稳定性与热稳定性和特殊的电学性质等使其在复合增强材料，纳米电子器件，场发射电极，能源材料等众多领域得到了广泛的重视与研究。

单壁碳纳米管的电学性质是由碳管的管径和构型来控制。碳纳米管的构型通常用两个手性特征参数(n，m)来表示，当m＝n时，手性角θ＝30°，此时的碳纳米管称为扶手型碳纳米管(Armchair)；当m＝0或n＝0时(θ＝0°)碳纳米管称为锯齿型碳纳米管(Zigzag)；当m、n为其它值时(0＜θ＜30°)此时的碳纳米管称为手性型(或螺旋型Chiral)碳纳米管。其中，(n，n)即Armchair型碳管都是金属性的；对于(n，0)即Zigzag型当n是3的倍数时，碳纳米管是金属性的，否则就是半导体性的；对于手性碳管(n，m)，当(2n+m)/3为整数时为金属性，否则为半导体性。故，明显(n，n-1)与(n，n-2)类型的手性碳管均为半导体型。此外，碳管的电学性质还会受到外界环境与自身形变的影响。

在碳纳米管用于光电器件的研究中一个尚未解决的问题是对不同构型的碳管的拆分。如果需要将碳纳米管集成于未来的纳米器件中，就必须要求确切地知道所得器件中碳纳米管的构型。例如，半导体碳纳米管用于存储器件、传感器等，而金属性碳纳米管用于电池、电磁防护层等的电极材料。对碳纳米管光学性质的研究也发现与金属性碳管的相互作用还会使半导体碳管的近红外荧光发生淬灭，限制了其在纳米光学方面的应用[M.J.O′Connell，S.M.Bachilo，R.E.Smalley Science 2002 297：593-596]。

因此，需要一种能选择性地制备金属性和半导体性碳管的方法，或者从混合物中把具有特定手性的碳纳米管分离出来的方法。目前一般方法制备出的碳管都是不同构型碳管的混合物，直接大量制备出高纯度的金属性或半导体性碳管短期内获得突破的可能性不大。因此碳管批量生产后的分离就成为目前唯一现实的手段。

碳纳米管的化学修饰是一种对纳管结构(直径、螺旋性、手性)进行筛分的有效手段，并对发展其潜在性能(储能、储气和催化性能)、开发相关纳米器件(纳米反应器、气敏元件、电子元件等)、新型材料(生物材料、电极材料)都有很大的现实意义。

通常，现有技术中进行碳管分离时，特别是对含有杂质的碳管进行分离时，事先需对碳管粉末进行纯化处理，其大致的做法是将将碳纳米管粉末放入浓盐酸或浓硫酸或浓硝酸，或者浓硫酸和浓硝酸的混合物之类的浓酸中，再将碳纳米管粉末放入其中进行超声处理，然后静置待碳管完全沉淀后将其分离出来并用水洗至中性，再对碳管粉末进行退火处理。