论文部分内容阅读
碳纳米管是一种具有特殊结构的准一维纳米碳材料,它是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体,具有特殊的电学和机械性质,例如对于金属性碳纳米管而言有着良好的导电性,而对于半导体性碳纳米管而言则是构建纳米级FET器件的优良材料。另外碳纳米管具有极高的机械强度,这使它成为一种“超级纤维”。这些特性使碳纳米管自被发现以来一直受到人们的广泛关注。为了能够利用碳纳米管的上述优秀性质,各种加工方法不断被开发,并且碳纳米管的应用领域也获得了拓展。
与碳纳米管这种新型功能性材料同样受到人们关注的是二氧化钛。二氧化钛作为一种新型功能性材料被人们所重视是由于其杰出的光催化性能,特别是其能够利用太阳光分解环境中的有机小分子,超高亲水性所带来的自清洁作用以及太阳能光电转换材料。基于对二氧化钛光催化作用本质的认识,碳纳米管这种化学性质稳定的材料同样可以用二氧化钛进行加工。
实验证明,利用人为设计的二氧化钛图形化薄膜或是采用图形化的光阻挡层能够对生长在多种基底上的碳纳米管阵列或是薄膜进行光催化切割和剪裁。其中影响二氧化钛光催化碳纳米管重要因素有反应时间、环境湿度和环境气氛。通过实验证明,(1)反应时间越长,碳纳米管受到光催化的影响越严重。对于未有Cr光阻挡层保护的碳纳米管而言,时间越长反应越彻底,但是对于受到保护的碳纳米管而言存在一个最优反应时间。当超过了这个时间,碳纳米管将会由于活性物质的扩散而受到严重的破坏,即受到保护区域的碳纳米管也将会被严重破坏。当反应时间达到极限时,整个被保护区域的碳纳米管就会被完全破坏。(2)环境湿度对二氧化钛光催化碳纳米管也有着明显的作用。随着湿度的增加,在相同反应时间内反应程度会逐渐增大。在此过程中同样存在最优环境湿度。当环境低于该湿度时,未受保护的碳纳米管反应不彻底,而当环境湿度高于最优湿度时,则反应剧烈而导致受到保护的碳纳米管受损严重。(3)O2的含量对二氧化钛光催化碳纳米管有着重要的影响。在N2气氛下,反应会被大大的遏制,而在空气和O2气氛下则反应会正常进行。通过实验我们还发现,在O2和空气中进行的实验结果相近,这表明O2的量存在一个极限值,当超过这个极限值时对实验结果并没有太大的影响。
我们通过相关实验给出了二氧化钛光催化裁剪碳纳米管的基本机理的一个基本合理的解释。我们认为体系中H2O和O2是最为关键的两个因素。在光照下,二氧化钛上的氧空位缺陷会首先捕获环境中的H2O,进而H2O会在此被分解成为各个活性物质,如HO·、NOO·、OH-和H2O2等等。而O2则会被二氧化钛表面产生的光生空穴捕获,从而也参与到产生含氧活性物质的反应中。然而通过分析和相关实验证明,我们认为在产生的活性物质中真正起到作用的是H2O2。这是由于二氧化钛模板和负载碳纳米管的基底之间存在空隙,活性物质需要进行远距离的扩散和迁移才能到达碳纳米管表面产生作用,而自由基类的活性物质寿命太短,只有作为稳定化合物存在的H2O2才能有足够的寿命从二氧化钛表面迁移到碳纳米管表面。我们认为在验证影响因素中存在的反应过度的问题同样是由于H2O2扩散引起的。Fenton效应的存在也能够从侧面证明在对碳纳米管的进攻中H2O2才是主要起作用的成分。