[发明专利]一种高效可控气相短切碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及低维纳米材料的加工领域，具体为一种高效可控气相短切碳纳米管的方法。先在碳纳米管上可控引入结构缺陷，再与具有一定化学反应活性的刻蚀性气体作用，进而实现碳纳米管的可控短切。具体过程为：将长度为百微米级的碳纳米管超声分散后单分散到基底上，采用等离子体处理在碳纳米管管壁可控引入一定密度的缺陷，进而引入具有合适化学活性的刻蚀性气体，使其优先在缺陷处与碳纳米管反应实现短切。通过调控等离子体的强度和时间来调控缺陷密度，通过调控刻蚀气体的浓度、反应温度和时间等调控短切碳纳米管的长度和效率。本发明可实现碳纳米管的精细加工，促进其在纳电子器件、药物输运、限域催化、气体传感等领域的应用。

技术领域

本发明涉及低维纳米材料的加工领域，具体为一种高效可控气相短切碳纳米管的方法，可望促进碳纳米管在限域催化、药物输运和微纳器件等领域的应用。

背景技术

碳纳米管因其独特一维中空管状结构，具有优异的物理化学性质。其特有的纳米尺度管腔是最细的“纳米反应器”，可作为“模板”填充制备超细纳米颗粒、超细纳米线等新型低维纳米材料。但是，一般直接生长的高质量碳纳米管的长度一般在百微米级，这严重影响了填充效率和填充过程的可控性。基于此，研究者们发展了物理切割和化学氧化等短切碳纳米管的方法。

物理切割法是通过施加冲击、机械研磨、强力超声等外力来破碎碳纳米管。该方法可批量短切碳纳米管，短切后的长度随着施加外力强度和加工时间的增加而减小。但该方法耗时、可控性差，很难得到长度小于百纳米的碳纳米管，且短切后长度分布依然较宽。外力均匀施加在整根碳纳米管上，势必破坏碳纳米管的本征结构，产生大量缺陷，影响短切碳纳米管的性能。(文献一：Darsono,N；Yoon,D.H；Kim,J.et.al.Appl.Surf.Sci.2008,254,3412；文献二：Deng,J；Wang,C；Guan,G.et.al.ACS Nano.2017,11,8464.)

化学氧化法是利用高浓度氧化性强酸对碳纳米管进行氧化，破坏C-C键实现短切。该类方法具有批量化、短切长度短等优点。但强氧化反应从碳纳米管的两端开始，以显著破坏碳纳米管的结构为代价实现短切，短切效率低、可控性差。同时，强氧化性物与碳纳米管反应剧烈难以控制，释放有害气体污染环境，限制了该方法的应用推广。(文献三：Li,Y；Wu,X；Kim,M.et.al.Chem.Mater.2019,31,4536；文献四：Ziegler,K.J；Gu,Z；Shaver,J.et.al.Nanotechnology.2005,16,S539；文献五Ziegler,K.J；Gu,Z；Peng,H.et.al.J.Am.Chem.Soc.2005,127,1541.)

所以，目前面临的主要问题是：(1)短切碳纳米管的本征结构被严重破坏，影响其后续应用；(2)短切碳纳米管的收率低、效率差；(3)短切碳纳米管的可控性差，短切后仍具有很宽的长度分布范围。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种高效可控气相短切碳纳米管的方法，该方法通过气相化学反应实现碳纳米管短切，先在碳纳米管管壁上可控制造结构缺陷，再引入具有一定化学活性的刻蚀性气体与缺陷处碳纳米管发生动力学可控的化学反应，进而实现高效、可控的短切，并保持碳纳米管本征结构的完整性。

本发明的技术方案：

一种高效可控气相短切碳纳米管的方法，先利用等离子体在碳纳米管的管壁可控引入缺陷，再引入具有化学活性的刻蚀气体在缺陷处与碳纳米管优先吸附与反应，实现短切，通过调控缺陷密度和反应的动力学过程实现高效可控短切，具体过程如下：

将长度20～100微米的碳纳米管分散于含表面活性剂的甲苯溶液中，超声处理获得碳纳米管分散液；将基底置于碳纳米管分散液中沉积后，获得在基底表面呈单分散的碳纳米管；热处理去除表面活性剂，等离子体处理在碳纳米管管壁制造缺陷，后将其置于管式炉中，引入刻蚀性气体与碳纳米管反应，完成气相短切。