论文部分内容阅读
单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes,SWCNTs)具有优异的电学性能,在纳米器件、传感、透明导电薄膜等领域有着广阔的应用前景。但通常的SWCNTs制备手段得到的都是金属性(m-)和半导体性(s-)碳纳米管的混合物,这极大地限制了m-和s-碳纳米管(简写为MS)在各自领域的应用。因此,MS的有效分离成为目前SWCNTs研究中的热点方向。迄今为止已经发展出多种分离技术,例如选择性生长法、选择性化学修饰法、选择性破坏法、色谱法和超高速离心法等。其中一些技术已经能分离出纯度很高的m-SWCNTs和s-SWCNTs,但是这些技术普遍存在成本高、耗时且难以实现规模化分离等不足。2008年开发的基于琼脂糖凝胶电泳(Agarose Gel Electrophoresis,AGE)或离心(Agarose Gel Centrifugation,AGC)分离SWCNTs的方法在很大程度上弥补了以上不足,但该方法也存在一些不足之处,就是分离效率(尤其是对m-SWCNTs)不高。因而本文主要针对琼脂糖凝胶法分离效率不高的问题进行了一系列实验研究,并对该方法的分离机制做了进一步地探讨。主要研究内容如下:1.利用AGE技术,考察了MB、Agarose、Agarose B和LRU四种琼脂糖对SWCNTs中MS分离效率的影响。结果表明,不同的琼脂糖对SWCNTs中s-SWCNTs的分离效率影响很小,而对m-SWCNTs的影响很大。凝胶强度过大及过小均对m-SWCNTs的富集不利,且较小的凝胶网孔尺寸有利于m-SWCNTs的富集。发现电泳中迁移最快的部分m-SWCNTs含量最高,是因为其表面十二烷基硫酸钠(SDS)胶束堆积密度高。进而考察了琼脂糖的浓度对SWCNTs中m-SWCNTs分离的影响,发现高的琼脂糖浓度有利于m-SWCNTs的富集。2.采用AGC技术对SWCNTs进行了分离,针对此法分离后SWCNTs中的m-SWCNTs效率不高的问题研究了影响分离效率的若干因素。发现琼脂糖浓度越大分离得到的m-SWCNTs纯度越高,琼脂糖浓度越小越有利于s-SWCNTs的富集。两步分离对m-SWCNTs的提纯没有意义,分离在第一次SWCNTs与琼脂糖相互作用时就已经结束了。长时间的离心对m-和s-SWCNTs的分离都是不利的,琼脂糖凝胶的成胶时间对SWCNTs的分离有非常重要的影响。因此,可以通过控制琼脂糖的浓度、凝胶时间以及离心分离的时间来实现AGC法对MS的高效分离。3.在以上实验基础上对琼脂糖凝胶法分离MS的机理进行了探究。对不同分散剂分散的SWCNTs进行分离,只有SDS分散的碳管可以实现分离,说明SDS对m-SWCNTs和s-SWCNTs可能存在某种特异性包覆,并且这种包覆使得s-SWCNTs与琼脂糖有较强的相互作用而m-SWCNTs与琼脂糖相互作用较弱,从而在外加电场作用下实现分离。结合吸收光谱和荧光光谱的分析证明,由SDS分散的金属性碳管(SDS-m-SWCNTs)和半导体性碳管(SDS-s-SWCNTs)确实是存在差异的,SDS在半导体性碳管表面堆积比较稀疏,使得碳管裸露的部分能与琼脂糖发生相互作用。进一步地用硫堇作为探针分子对SDS分散的SWCNTs电泳分离前后SDS胶束变化进行探测,发现SDS在电泳过程中从s-SWCNTs上脱附下来,而m-SWCNTs上仍然有较致密的SDS堆积,这种差异是导致琼脂糖凝胶分离MS的根本原因。琼脂糖凝胶薄膜对SDS-s-SWCNTs的特异性吸附也直接证明了这一分析。探讨清楚分离的机制是我们进行下一步更有效地实现低成本、规模化分离的基础。