论文部分内容阅读
单壁碳纳米管在纳米器件上的应用需要单分散的金属性或者半导体性碳纳米管,碳纳米管在水溶液和非水溶液中的可分散性是得到单一导电性碳纳米管的前提。本文合成了四种水溶性聚硅烷衍生物,并利用它们成功实现了金属性单壁碳纳米管在水溶液中的选择性分散。采用两步合成法得到四种水溶性聚硅烷衍生物。首先以二氯甲基硅烷为单体,甲苯为溶剂,金属钠为催化剂,利用传统的Wurtz合成法制备聚甲基硅烷;然后以THF为溶剂,偶氮二异丁腈为引发剂,利用硅氢化反应在聚甲基硅烷上分别接枝了丙稀酸、4-戊烯酸、7-辛酸和10-11烯酸四种不饱和脂肪酸,得到四种支链长度不同的水溶性聚硅烷衍生物。经过正己烷洗涤除去未反应的聚甲基硅烷、烯酸和引发剂等杂质,得到黄色粘稠状透明液体。红外光谱和核磁共振谱的表征证实了聚甲基(3-丙酸基)硅烷、聚甲基(5-戊酸基)硅烷、聚甲基(8-辛酸基)硅烷和聚甲基(11-十一酸基)硅烷四种水溶性聚硅烷衍生物的成功合成。利用直流电弧放电法制备了单壁碳纳米管粗品。通过在空气中经过热处理和两步酸化处理,获得了在水中可分散的单壁碳纳米管。对单壁碳纳米管分散液进行离心分离处理,就得到了纯度较高的单壁碳纳米管样品。首先分别配制聚甲基(3-丙酸基)硅烷、聚甲基(5-戊酸基)硅烷、聚甲基(8-辛酸基)硅烷和聚甲基(11-十一酸基)硅烷的碱性溶液。然后在超声波作用下将纯化后的单壁碳纳米管分散于四种水溶性聚硅烷衍生物中,得到单壁碳纳米管的稳定分散液。最后把分散液转移至离心试管中进行高速离心分离处理。UV-vis-NIR吸收光谱和共振拉曼光谱的表征结果证明在上层离心液中富集了金属性单壁碳纳米管,并且所富集的金属性单壁碳纳米管为的手性指数分别为(13,1)、(12,3)、(15,3)、(13,4)、(14,2)、(19,1)、(14,8)和(15,6),这些金属性单壁碳纳米管具有直径较大、螺旋角较小的共同特点,因此四种水溶性聚硅烷衍生物对大直径小螺旋角的金属性单壁碳纳米管都具不同程度的选择性分散作用。通过考察聚硅烷衍生物侧链长度对选择性分散作用的影响,得出支链越长的聚硅烷衍生物对金属性碳管的选择分散作用越强的重要结论。红外光谱、紫外光谱和共振拉曼光谱表征的结果证明在聚硅烷衍生物和单壁碳纳米管(特别是金属性单壁碳纳米管)之间存在着较强的非共价键相互作用,使得水溶性聚硅烷衍生物对单壁碳纳米管有稳定的分散作用。金属性单壁碳纳米管的费米能级高于半导体性单壁碳纳米管,具有较强的给出电子的能力,与水溶性聚硅烷衍生物的非共价键相互作用更大。所以,水溶性聚硅烷衍生物对金属性单壁碳纳米管选择性分散作用也越强。另一方面,由于聚硅烷衍生物的侧链烷基具有柔韧性,侧链越长的聚硅烷衍生物对单壁碳纳米管的缠绕包裹作用越大,所以聚硅烷衍生物对金属性单壁碳纳米管的选择性分散作用随着聚硅烷衍生物侧链长度的增加而越显著。最后对聚甲基(11-十一酸基)硅烷分散的金属性单壁碳纳米管进行了电化学性质研究。循环伏安和交流阻抗图谱的研究结果表明,金属性单壁碳纳米管修饰玻碳电极的传递电子能力明显提高。