[发明专利]表现出增强的溶解度的官能化碳纳米管及其制备方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年12月17日提交的美国专利申请号61/424,425的权益。

领域

本申请涉及官能化碳纳米管的制备。具体地说，本申请涉及制备具有改善的溶解度特性的官能化碳纳米管的方法。

背景

纳米管是富勒烯结构家族(其还包括球形巴基球(buckyball))的成员，并且纳米管的末端可以使用巴基球结构的半球来封端。它们的名称来源于其具有由一个原子厚的碳片(称为单层石墨)形成的壁的长的空心结构。这些片以特定且离散的(“手性”)角度卷绕，并且卷绕角度和半径的组合决定了纳米管的特性；例如，单独的纳米管外壳是否是金属或半导体。纳米管分为单壁纳米管(SWCNT)和多壁纳米管(MWNT)。单壁碳纳米管由一个单一的折叠单层石墨片组成，而多壁碳纳米管由石墨的多个卷绕层(同心管)组成。

单壁纳米碳管(SWCNT)的特征在于它们独特的机械、电学以及光学特性。单独的SWCNT的拉伸强度可以大大超过30GPa，并且金属SWCNT绳索的电导率达到10⁶S/m。SWCNT网络在沉积SWCNT分散体之后形成，所述SWCNT网络还允许在垂直于膜的平面的方向上的可见光和红外光透射。这个特性源于SWCNT的极小的直径(平均＜1.5nm)，外加典型值为1000-1500的大纵横(即，长度-直径)比。因此，透明传导性网络的形成是可能的。单一材料中的这类特性的组合将它们标记为与众不同的用于众多实验室证明的应用的候选物，所述应用如场效应晶体管、非易失性存储器、显示器、触摸屏、电池电极、超级电容器以及过滤薄膜。

出现的用于SWCNT的工业应用包括：具有更好的强度性能的聚合物复合物(Coleman，J.N.；Khan，U.；Blau，W.J.和Gun’ko，Y.K.，Small but strong：A review of the mechanical properties of carbon nanotube-polymer composites.Carbon 2006，44，1624-1652)；允许航空和航天工业中的新概念(Jaeoby，M.，Composite Materials.C&EN，August 30，2004，第34-39页)；电子器件(例如，数据存储器、显示器、传感器、薄膜晶体管)(Cao，Q.和Rogers，J.A.，Ultrathin Films of Single-Walled Carbon Nanotubes for Electronics and Sensors：AReview of Fundamental and Applied Aspects.Adv.Mater.2008，20，29-53)(Avouris，P.，Carbon Nanotube Electronics and Photonics.Physics Today 2009，34-40)；蓄电池(Landi，B.J.；Ganter，M.J.；Schauerman，C.M.；Cress，C.D.和Raffaelle，R.P.，Lithium Ion Capacity of Single Wall Carbon Nanotube Paper Electrodes.J.Phys.Chem.C 2008，112，7509-7515)(Pushparaj，V.L.；Shaijumon，M.M.；Kumar，A.；Murugesan，S.；Ci，L.；Vajtai，R.；Linhardt，R.J.；Nalamasu，O.和Ajayan，P.M.，Flexible Ehergy Storate Devices Based on Nanocomposite Paper.Proc Natl Acad Sci USA 2007，101，13574-13577)；超级电容器；用于去除病毒性和细菌性病原体的过滤薄膜(Brady-Estévez，A.S.；Kang，S.和Elimelech，M.，A Single-Walled-Carbon-Nanotube-Filter for Removal of Viral and Bacterial Pathogens.Small 2008，4，481-484)；化学和生物物种的检测(Heller，D.A.；Jin，H.；Martinez，B.M.；Patel，D.；Miller，B.M.；Yeung，T.-K.；Jena，P.V.；Hobartner，C.；Ha，T.；Silverman，S.K.和Strano，M.S.，Multimodal Optical Sensing and Analyte Specificity using Single-Walled Carbon Nanotubes.Nature Nanotechnology 2009，4，114-120)；包括潜在的战剂(Lee，C.Y.；Sharma，R.；Radadia，A.D.；Masel，R.I.和Strano，M.S.，On-Chip Micro Gas Chromatograph Enabled by a Noncovalently Functionalized Single-Walled Carbon Nanotube Sensor Array.Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，5018-5021)；以及透明的导电电极(Eikos公司，2009，www.eikos.com)(Unidym公司，2009，www.unidym.com)，例如，用于LCD、触摸屏、以及柔性太阳能电池的导电电极(Contreras，M.A.；Barnes，T.；van de Lagemaat，J.；Rumbles，G.；Coutts，T.J.；Weeks，C.；Glatkowski，P.；Levitsky，I.；Peltola，J.和Britz，D.，Replacement of Transparent Conductive Oxides by Single-Wall Carbon Nanotubes in Cu(In，Ga)Se₂-Based Solar Cells.J.Phys.Chem.C 2007，111，14045-14048)。尽管在行业和应用中具有巨大潜力、尽管公告了传感器的商业化(Halford，B.，Carbon Nanotube Electronics Power Up.C&EN，2005年1月3日，第27页)、并且呈现了场效应显示器和平板TV屏的原型(Kanellos，M.Carbon TVs to Edge out Liq uid Crystal，Plasma？NEWS.COM，01/05/2005)，但没有以工业规模显著使用SWCNT的证据。然而，先前有关从2001年的小于1百万美元到2007年的2亿美元的大幅市场增长的预测(Frost&Sullivan，An Assessment on the Future of Carbon Nanotubes-Strategic of the Market and Potential.2004年6月)还未成真。使SWCNT的广泛使用成为可能要求呈以下形式的SWCNT的可用性：允许它们容易地添加并且足够均匀地与如其它化学品的主体混合或者均匀地沉积在基底上，而不损失SWCNT的有益特性如机械强度或电传导性或者能够恢复这些特性。