[发明专利]单壁碳纳米管的电化学处理方法、单壁碳纳米管及器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种处理单壁碳纳米管(SWNT)的方法，更特别地，涉及对SWNT的电化学处理方法、由此处理的单壁碳纳米管及使用其的器件。

背景技术

碳纳米管(CNT)作为一维纳米材料，具有许多优异的电学、力学和化学特性，因此日益受到人们的关注。随着对纳米材料研究的不断深入，碳纳米管的广阔应用前景也正不断的涌现，例如用于场发射电子源、纳米场效应晶体管、储氢材料以及高强度纤维等。

碳纳米管根据形成管壁的碳原子的层数可以分为单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)，其中多壁碳纳米管可以理解为由不同直径单壁碳纳米管套装而成。在实际的研究和应用中，SWNT、层数较少的MWNT由于拥有的性能突出而具有重要的地位。尤其是，SWNT被视为未来纳米电子学的最希望的材料。

常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法以及激光蒸发法等。通过这些方法所得到的碳纳米管的产物通常包括混合在一起的金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管，而且这些碳纳米管的直径存在一定的分布。因此将金属性和半导体性碳纳米管投入实际应用的前提之一就是从制备产物中将不同导电性能的碳纳米管彼此分离。由此碳纳米管的分离已成为当前研究的重要课题之一。

另外，虽然对碳的同素异形体例如石墨、无定形碳、碳纤维等的电化学刻蚀效应进行了大量的研究，但是对于碳纳米管的刻蚀效应却鲜有报道。虽然Crooks等人报导了多壁碳纳米管(MWNT)的刻蚀效应(Ito，T.，Sun，L.，Crooks，R.M.Electrochem.Solid-State Lett.6，C4-C7(2003))，然而SWNT的电化学刻蚀迄今仍是未知的且没有这方面的研究，尽管许多研究组已经使用电化学方法来共价地功能化SWNT，例如参见Glodsmith et al，Science 315，77-81(2007)以及Stoll et al，Chem.Phys.Lett.375，625-631(2003)等。

发明内容

考虑到相关技术中的问题，仍然存在对新的SWNT的处理方法的需要，以更高效、容易地对富集具有某种特性的SWNT。

根据本发明的第一方面，本发明的一个实施例提供了一种选择性处理单壁碳纳米管的方法，其中，使用SWNT为阳极，施加在刻蚀启始电压以上的电压，在电解液中对SWNT进行电化学刻蚀，从而可以对该SWNT进行提纯并富集某种特性的SWNT。该特性可以是导电性或SWNT的直径。

在本发明的一个实施例中，可以使用SWNT薄膜电极或块状电极作为阳极。

在本发明的一个实施例中，可以使用酸性、中性或碱性电解液，优选使用碱性电解液。该电解液可以是水性电解液或非水电解液。

在本发明的一个实施例中，使用惰性电极作为阴极，该惰性电极可以为Pt电极、石墨电极、铂碳电极、金电极等。

根据本发明的第二方面，提供了一种经上述方法选择处理的单壁碳纳米管。

根据本发明的第三方面，提供了一种碳纳米管器件，包括经上述方法选择处理的单壁碳纳米管。优选地，该碳纳米管器件包括碳纳米管元件包括使用碳纳米管的导电膜、场发射电子源、晶体管、导线、电极材料、纳米电子机械系统、纳米悬臂、量子计算装置、发光二极管、太阳能电池、表面导电电子发射显示器、滤波器、给药装置、导热材料、纳米喷头、储能材料、燃料电池、传感器或催化剂载体。

下面通过附图和示范性实施例，对本发明的处理方法做进一步的详细描述。

附图说明

图1是0.1M的KOH、KCl和HCl水溶液的循环伏安曲线(cyclicvolatmmegram)。

图2SWNT电极在0.1M KCl在2.0V下的刻蚀处理的典型计时安培分析曲线，其中插图为在0～5s范围内放大的计时安培分析曲线。

图3A是玻璃上SWNT膜的照片，箭头指示刻蚀的SWNT和未刻蚀的SWNT之间的界面。图3B是刻蚀之前和之后SWNT的NIR谱。图3C是电化学刻蚀之后SWNT的TEM图像。图3D是电化学刻蚀之后SWNT的HRTEM图像。图3E是电化学刻蚀的SWNT的拉曼光谱(633nm)。图3F是电化学刻蚀之前和之后的SWNT膜的I-V曲线。

图4是在0.1M的KCl溶液中在1.3V刻蚀5、15的60分钟之后的SWNT的拉曼光谱(633nm)。

图5是SWNT电极在0.1M的KCl溶液分别在1.6、2.0、2.5和3.0V的刻蚀处理的计时安培分析曲线。