[发明专利]一种截短碳纳米管的方法

说明书

本发明提供一种碳纳米管截短方法。本方法的具体过程为：首先在氧气气氛下对碳纳米管进行加热，利用氧气氧化在碳纳米管管壁上引入缺陷；然后将碳纳米管与混合酸(浓硫酸、浓硝酸配置)混合并在水浴中超声，氧化性物种进攻碳纳米管管壁上的缺陷进而截短碳纳米管；最后将碳纳米管淋洗至中性并干燥。通过调变超声水浴的温度、超声的时间与次数，可以控制碳纳米管截短后的长度分布。本方法具有碳管截短的长度可控、同时适用于多壁碳纳米管和单壁碳纳米管、设备要求低、操作简单、高收率等特点。

技术领域

本发明涉及碳纳米管的可控截短方法，具体地说是一种温和条件下的化学氧化截短碳纳米管的方法，属于无机纳米碳材料的制备领域。

背景技术

碳纳米管自发现以来由于其纳米尺度上独特的结构和物理化学性质而引起了物理、化学、材料、生物等科学界的研究热潮。碳纳米管准一维的纳米级管腔结构，可以看作是由单层或多层石墨烯沿手性矢量卷绕而成。碳纳米管具有独特而优良的力学、热学、电磁学和吸附性能，大的比表面积以及易于官能化修饰的高度石墨化的管壁。因此，碳纳米管在纳米复合材料、超级电容器、锂离子电池、储氢以及催化等领域有着巨大的应用潜力。近来，短碳纳米管(1μm)的应用引起了越来越多的研究兴趣。在生物学领域，单壁碳纳米管因其在红外区域的光致发光特性而被用作成像材料，但是需要合适长度的短单壁碳纳米管，同时长碳纳米管具有细胞毒性[L.J.Wilson，etal.In vivo behavioroflarge doses ofultrashort and full-length single-walled carbonnanotubes after oral andintraperitoneal administration to swissmice.ACS Nano 2010,4,1481-1492]。在机械工程领域，单壁碳纳米管被用作扫描探针显微镜的悬臂，但是高分辨率的获得需要足够短的碳纳米管(50nm)[J.Martinez,et al.Length control and sharpening ofatomicforce microscope carbon nanotube tips assisted by anelectronbeam.Nanotechnology 2005,16,2493-2496.]。在催化领域，碳纳米管具有独特的限域效应，能够调变催化剂性能，限域效应主要包括碳纳米管对管腔内的催化剂纳米颗粒空间上的限制作用，其石墨烯卷曲结构带来的管内缺电子环境对催化剂纳米颗粒电子结构的调变作用，碳纳米管对反应物和产物分子的选择性富集作用，以及水和甲醇等分子在管腔内的快速扩散[X.L.PanandX.H.Bao,The effects of confinement insidecarbonnanotubes on catalysis.Acc.Chem.Res,2011,44,553-562]。湿化学法是碳纳米管限域催化剂最为简单易行的制备方法，而碳纳米管巨大的长径比不仅会阻碍前驱体溶液的扩散，对限域催化反应的反应物和产物的扩散也会产生影响。因此，利用短碳纳米管(1μm)更易于实现限域的催化剂纳米颗粒的均匀分散同时也有利于反应物和产物分子的扩散[X.L.Pan and X.H.Bao,Tailored cutting of carbon nanotubes and controlleddispersion of metalnanoparticles inside their channels.J.Mater.Chem.,2008,18,5782–5786]。