[发明专利]商业化大管径CNT中半导体CNT的选择性分离方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管（简称“CNT”）的分离方法，特别涉及一种商业化大管径CNT中半导体CNT的选择性分离方法及其应用，属于印刷纳米电子领域。

技术背景

印刷电子技术是最近5年来才在国际上蓬勃发展起来的新兴技术与产业领域，据专家预测2017年全世界印刷电子产品总值将达到3300亿美元，因而印刷电子技术的发展已受到全世界人们的广泛关注，成为当今多学科交叉、综合的前沿研究热点。为了构建印刷电子元器件以及开发其相关应用，高性能新型印刷电子墨水的研制成为印刷电子技术最关键的技术之一，使得印刷墨水的制备以及新工艺的开发已成为现代印刷电子领域的热点和难点。

半导体碳纳米管具有许多优越的性能，与其他半导体材料相比不仅尺寸小、电学性能优异、物理和化学性质稳定性好，而且碳纳米管构建的晶体管等电子元件具有发热量更少以及运行频率更高等优点，同时碳纳米管容易实现溶液化，分离纯化后的半导体碳纳米管印刷墨水能够构建出高性能的印刷碳纳米管薄膜晶体管器件，因此半导体碳纳米管被认为是构建高性能可印刷薄膜晶体管器件最理想的半导体材料之一，这使得印刷碳纳米管薄膜晶体管器件构建及其在电子、生物、医学、材料和环境监测等领域的研究得到了各国科学家的广泛关注，已成为当今科学界研究的热点。

由于合成的单壁碳纳米管都是金属性和半导体碳纳米管的混合物，制备的碳纳米管不分离和纯化很难构建出性能优越的半导体器件。金属和半导体碳纳米管以及不同管径大小和手性碳纳米管的物理和化学性质存在一些微小差异，这些微小差异只有在某一特定“环境”下才能使碳纳米管得到有效分离。根据这些差异已开发出多种分离和提纯碳纳米管的方法，如聚合物、DNA包覆法、电泳法、凝胶色谱法、密度梯度高速离心法、化学分离方法等。如聚合物包覆法分离碳纳米管只有在特定溶剂、温度条件下，一些特定空间结构的聚合物才能够对某些半导体碳纳米管表现出较好的选择性。在2006年左右，采用聚合物包覆方法就能够分离出高纯度或某一手性的半导体碳纳米管，使其曾经成为碳纳米管分离领域的一大热点，但由于碳纳米管表面包覆了一层致密、不导电的物质，使其不能构建出高性能的半导体器件，这使得人们对聚合物选择性分离碳纳米管的研究变得越来越少。直到2011年年底，斯坦福大学鲍哲南教授在Nature communications上报道聚噻吩衍生物能够选择性分离HiPCO中的半导体碳纳米管，并构建出优越性能的器件。自从那以后一些研究组相继报道了聚合物选择性分离半导体碳纳米管方法。但前述方法都是用来分离商业化小管径碳纳米管如HiPCO、CoMoCat碳纳米管和其他商业化碳纳米管，此外这些方法都需要超高速（速度超过100000 g）和长时间（有的需要24小时以上）离心来去除碳纳米管溶液中多余的聚合物和碳纳米管束，分离效率低下，成本高。另外，迄今为止，尚未有任何关于从商业化大管径碳纳米管中选择性分离半导体碳纳米管的报道。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种快速、低成本，且能高商业化大管径CNT中半导体CNT的选择性分离方法，从而克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种商业化大管径CNT中半导体CNT的选择性分离方法，包括：

在温度≤0℃的条件下，将商业化大管径碳纳米管分散于含聚合物的有机溶液中，获得分散均一的碳纳米管溶液；

以及，对碳纳米管溶液进行离心处理，离心速度大于10000 g，离心时间在30min以上，优选在30min-120min之间，分离出上层清液，获得富集的大管径半导体碳纳米管。

具体而言，所述商业化大管径碳纳米管采用商业化大管径P2单壁碳纳米管。

作为较为优选的实施方案之一，所述碳纳米管溶液所含聚合物的浓度控制在0.0001-0.5 wt %。

所述聚合物可选自聚噻吩衍生物、聚芴和/或聚芴衍生物、聚间苯乙炔衍生物中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。