CN101148255A - 一种单壁碳纳米管的表面组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种单壁碳纳米管的表面组装方法，一种单壁碳纳米管的表面组装方法，包括：将单壁碳纳米管长管样品加入到浓硫酸和浓硝酸混酸液中对单壁碳纳米管进行处理的步骤，通过该步骤的处理对单壁碳纳米管进行裁剪与羧基功能化；自组装步骤，在该步骤中将镀有金属层的固体基底浸置于被功能化的单壁碳纳米管溶液中自组装，利用管端上官能团的化学反应活性使其在固体表面直立组装。该方法简单、可控、高效，碳纳米管不仅可以垂直于表面直立排列，而且碳纳米管和表面之间还是通过化学键合的方式连接的，一方面得到了可用于场发射显示器以及化学生物传感器的纳米结构，同时还为研究电子在碳纳米管和不同官能团间的传输提供了可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种单壁碳纳米管的表面组装方法，属于纳米结构制备领域。
背景技术
1991年，日本NEC公司的科学家Iijima在透射电子显微镜下观察到了多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes，MWNTs)的存在，两年之后Iijima和Bethune又同时发现了具有神奇结构的单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes，SWNTs)。因其特殊的结构和独特的物理化学性能，碳纳米管在很多领域具有潜在的应用价值，有关碳纳米管的研究成为当今纳米科技领域非常重要的一个组成部分。
高度有序排列的单壁碳纳米管阵列结构对于提高纳米管器件的制备以及使用有着非常重要的作用。有效的控制碳管的排列方式，使其组装成各种不同的器件设计所需要的结构是构建纳米管器件决定因素，也是现存的主要挑战。排列有序的碳纳米管结构能提高碳管器件的导电性能，并且也是大规模集成电路所必不可缺的。此外高度有序的组装碳纳米管还能够提高碳管复合材料的强度，而且由于碳管的各向异性极化率还使得其能在光学器件上发挥重要作用。近年来，在固体基底上制备垂直于表面的碳纳米管阵列成为大家研究的热点。这种垂直排列的碳纳米管结构有望在场发射平面显示器、化学生物传感器电极以及纵向场效应晶体管阵列等方面得到广泛的应用。韩国的三星电子公司还成功研制出了以阵列排列碳纳米管为核心的平面显示器，显示了碳纳米管在实际应用中的美好前景。建立一套简单、高效可控的碳纳米管组装方法对碳纳米管的实用化有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单壁碳纳米管的表面组装方法，该方法利用功能化后的单壁碳纳米管管端官能团与固体表面的化学键合，简单可控高效地将单壁碳纳米管直立组装在各种固体表面上。
本发明单壁碳纳米管的表面组装方法包括如下步骤：将单壁碳纳米管长管样品加入到浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中对单壁碳纳米管进行处理的步骤，通过该步骤的处理对单壁碳纳米管进行裁剪与羧基功能化；自组装的步骤，在该步骤中将表面镀有金属层的固体基底浸置于被功能化的单壁碳纳米管溶液中自组装，利用管端上官能团的化学反应活性使其在固体表面直立组装。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，所述镀有金属层的固体基底为镀金的固体基底。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，所述镀有金属层的固体基底为镀银的固体基底。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，还包括如下步骤：对单壁碳纳米管的末端进行修饰，使其末端带上巯基。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，还包括如下步骤：对镀有金属表面的基底进行修饰，使其表面带上巯基。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，在所述的对单壁碳纳米管的末端进行修饰的步骤中，使羧基功能化后的碳纳米管在浓度为0.5mmol/L～1.5mmol/L的巯基乙胺的乙醇溶液中反应12～48小时，使其末端带上巯基。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，在对镀有金属表面的固体基底进行修饰的步骤中，将固体基底浸置在浓度为0.5mmol/L～1.5mmol/L的巯基十一胺乙醇溶液中自组装6～18小时，使其在Au-S键合作用下在固体表面自组装得到一层氨基膜。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，所述自组装步骤是将镀银的固体基底浸置在浓度为5mg/L～10mg/L的羧酸根功能化的单壁碳纳米管乙醇水溶液中自组装12～48小时。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，所述自组装步骤是把镀金的固体基底浸置在浓度为5mg/L～10mg/L的含有巯基的单壁碳纳米管乙醇水溶液中自组装12～48小时。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，所述自组装步骤是将带有氨基膜的固体基底浸置在羧基功能化的浓度为1mg/L～l0mg/L的单壁碳纳米管DMF溶液中，加入DCC缩合剂，反应12～48小时。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，在所述的自组装步骤中施加104～106V/m的电场。
在本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法中，所述浓硫酸和浓硝酸的混酸液的体积比为1∶1～5∶1。
其中混酸溶液为体积比为1∶1～5∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)，经过混酸裁剪后的单壁碳纳米管的长度大多分布在50～300nm之间。对单壁碳纳米管管端进一步功能化时，可通过羧基的反应性得到不同的末端官能团如巯基、氨基等。对固体表面的设计则是通过自组装的方法得到不同官能团。碳纳米管和固体表面的化学键合可以通过不同的化学反应，常用的化学反应有：利用巯基衍生的碳纳米管与金基底的Au-S成键，羧基化碳纳米管上-COOH与金属离子(Zn2+)之间的络合作用，羧基化碳纳米管上的-COOH与Ag表面的成盐作用，以及碳纳米管上的-COOH与-NH2修饰的基底之间的表面缩合作用以及静电成盐相互作用等等。
进一步提高单壁碳纳米管的化学组装效率，外加电场被引入到组装过程中。碳纳米管和电场之间的转动和电泳相互作用被利用来控制碳纳米管的组装行为。在电场下预先取向并高速向电极运动的碳纳米管克服了常规表面组装中存在的空间阻碍作用，提高了碳纳米管向基底迁移的速率，并且降低了表面反应的活化能，从而较大地提高了碳纳米管在固体表面的组装效率、密度以及竖直程度。
本发明提供的单壁碳纳米管组装方法简单、可控、高效。碳纳米管不仅垂直于表面直立排列，而且碳纳米管和表面之间还是通过化学键合的方式连接的，一方面得到了可用于场发射显示器以及化学生物传感器的纳米结构，同时还为研究电子在碳纳米管和不同官能团间的传输提供了可能。这一发明为碳纳米管结构的制备和实用化提供了一条可行的途径。
附图说明
图1是本发明的单壁碳纳米管表面组装方法的方案图。
图2是通过巯基衍生的单壁碳纳米管与金基底形成Au-S键而组装在固体表面的原子力显微镜表征图(图2a)和结构示意图(图2b)。
图3是通过羧基化单壁碳纳米管上的-COOH与Ag表面的成盐作用而组装在表面的扫描电子显微镜表征图(图3a)和结构示意图(图3b)。
图4是通过单壁碳纳米管上的-COOH与-NH2修饰的基底之间的表面缩合作用而组装在固体表面的原子力显微镜表征图(图4a)和结构示意图(图4b)。
图5是不含外加电场(图5a)和含有外加电场(图5b)时单壁碳纳米管表面化学组装的原子力显微镜表征图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。图1是本发明的单壁碳纳米管表面组装方法的方案图。图中，1是单壁碳纳米管，2是固体基底。
本发明的单壁碳纳米管表面组装方法分如下几个步骤：
(1)将单壁碳纳米管长管样品加入到体积比为1∶1～5∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中，在超声的作用下进行裁剪与羧基功能化。
(2)羧基功能化后的碳纳米管在DCC缩合剂的作用下与巯基乙胺在室温下反应12～48小时，使单壁碳纳米管管端带上巯基。
(3)把镀金的固体基底浸置在管端带有巯基的浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管乙醇溶液中自组装12～48小时后，氮气吹干。
本发明的又一单壁碳纳米管表面组装方法是：
(1)单壁碳纳米管长管样品加入到体积比为1∶1～5∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中，在超声的作用下进行裁剪与羧基功能化。
(2)把镀银的固体基底浸置在羧酸根功能化的浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管乙醇水溶液中自组装12～48小时后，氮气吹干。本发明的另一单壁碳纳米管表面组装方法是：
(1)单壁碳纳米管长管样品加入到体积比为1∶1～5∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中，在超声的作用下进行裁剪与羧基功能化。
(2)把镀金的固体基底浸置在浓度为0.5mmol/L～1.5mmol/L的巯基十一胺的乙醇溶液中自组装6～18小时后氮气吹干。固体基底表面在Au-S键合作用下，自组装得到一层氨基膜。
(3)把含有氨基膜的固体基底浸置在羧基功能化的单壁碳纳米管DMF溶液(浓度为：溶液：1mg/L～10mg/L)中，加入DCC缩合剂，反应12～48小时后，氮气吹干。
本发明的另一单壁碳纳米管表面组装方法是：
(1)单壁碳纳米管长管样品加入到体积比为1∶1～5∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中，在超声的作用下进行裁剪与羧基功能化。
(2)把镀金的固体基底浸置在浓度为0.5mmol/L～1.5mmol/L的巯基十一胺的乙醇溶液中自组装6～18个小时后氮气吹干。固体基底在Au-S键合作用下，自组装得到一层氨基膜。
(3)把含有氨基膜的金基底浸置在羧基功能化的单壁碳纳米管乙醇溶液(浓度为：5mg/L～10mg/L)中，在外加电场(104～106V/m)的情况下反应10～60分钟后，氮气吹干。
以下通过具体实施方式对本发明的单壁碳纳米管的表面组装方法进行详细说明。
[实施例1]
(1)将单壁碳纳米管长管样品加入到体积比为3∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中，在超声的作用下进行裁剪与羧基功能化。
(2)羧基功能化后的碳纳米管在DCC缩合剂的作用下与巯基乙胺在室温下反应24小时，使单壁碳纳米管管端带上巯基。
(3)把镀金的固体基底浸置在含有巯基的浓度为7mg/L的单壁碳纳米管乙醇溶液中自组装24小时后，氮气吹干待表征。
图2是通过巯基衍生的单壁碳纳米管与金基底形成Au-S键而组装在固体表面的原子力显微镜表征图(图2a)和结构示意图(图2b)。单壁碳纳米管通过Au-S键直立组装在了固体表面。
[实施例2]
(1)单壁碳纳米管长管样品加入到体积比为3∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中，在超声的作用下进行裁剪与羧基功能化。
(2)把镀银的固体基底浸置在羧酸根功能化的浓度为7mg/L的单壁碳纳米管乙醇水溶液中自组装24小时后，氮气吹干待表征。
图3是通过羧基化单壁碳纳米管上的-COOH与Ag表面的成盐作用而组装在表面的扫描电子显微镜表征图(图3a)结构示意图(图3b)。单壁碳纳米管通过羧基与银表面的成盐作用(图3b)直立组装在了基底表面上。
[实施例3]
(1)单壁碳纳米管长管样品加入到体积比为3∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中，在超声的作用下进行裁剪与羧基功能化。
(2)把镀金的固体基底浸置在浓度为1.0mmol/L的巯基十一胺的乙醇溶液中自组装12个小时后氮气吹干。通过Au-S键合作用使得固体表面自组装得到一层氨基膜。
(3)把含有氨基膜的固体基底浸置在羧基功能化的单壁碳纳米管DMF溶液(浓度为：5mg/L)中，加入DCC缩合剂，反应24小时后，氮气吹干待表征。
图4是通过单壁碳纳米管上的-COOH与-NH2修饰的基底之间的表面缩合作用而组装在固体表面的原子力显微镜表征图(图4a)和结构示意图(图4b)。单壁碳纳米管通过羧基和氨基间得表面缩合作用(图4b)直立组装在了固体表面上。
[实施例4]
(1)单壁碳纳米管长管样品加入到体积比为3∶1的浓硫酸(98％H2SO4)和浓硝酸(70％HNO3)混酸液中，在超声的作用下进行裁剪与羧基功能化。
(2)把镀金的固体基底浸置在浓度为1.0mmol/L巯基十一胺的乙醇溶液中自组装12个小时后氮气吹干。通过Au-S键合作用使得固体表面自组装得到一层氨基膜。
(3)把含有氨基膜的金基底浸置在羧基功能化的单壁碳纳米管乙醇溶液(浓度为：7.5mg/L)中，在不加电场和外加电场(105V/m)的情况下反应30分钟后，氮气吹干，分别表征。
图5是不含外加电场(图5a)和含有外加电场(图5b)时单壁碳纳米管表面化学组装的原子力显微镜表征图。在电场的作用下，单壁碳纳米管在固体表面通过羧基和氨基的静电成盐化学组装的效率和密度都得到了较大的提高。
本发明提供的单壁碳纳米管组装方法简单、可控、高效。碳纳米管不仅垂直于表面直立排列，而且碳纳米管和表面之间还是通过化学键合的方式连接的，这一方面得到了可用于场发射显示器以及化学生物传感器的纳米结构，同时还为研究电子在碳纳米管和不同官能团间的传输提供了可能。这一发明为碳纳米管结构的制备和实用化提供了一条可行的途径。
Claims (12)
1.一种单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，包括：将单壁碳纳米管长管样品加入到浓硫酸和浓硝酸混酸液中对单壁碳纳米管进行处理的步骤，通过该步骤的处理对单壁碳纳米管进行裁剪与羧基功能化；自组装步骤，在该步骤中将镀有金属层的固体基底浸置于被功能化的单壁碳纳米管溶液中自组装，利用管端上官能团的化学反应活性使其在固体表面直立组装。
2.如权利要求1所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，所述镀有金属层的固体基底为镀金的固体基底。
3.如权利要求1所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，所述镀有金属层的固体基底为镀银的固体基底。
4.如权利要求2所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，还包括如下步骤：对单壁碳纳米管的末端进行修饰，使其末端带上巯基。
5.如权利要求2所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，还包括如下步骤：对镀有金属表面的固体基底进行修饰，使其表面带上巯基。
6.如权利要求4所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，在所述的对单壁碳纳米管的末端进行修饰的步骤中，使羧基功能化后的碳纳米管在浓度为0.5mmol/L～1.5mmol/L的巯基乙胺的乙醇溶液中反应12～48小时，使其末端带上巯基。
7.如权利要求5所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，在对镀有金属表面的固体基底进行修饰的步骤中，将固体基底浸置在浓度为0.5mmol/L～1.5mmol/L的巯基十一胺溶液中自组装6～18小时，使其在Au-S键合作用下在固体表面自组装得到一层氨基膜。
8.如权利要求3所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，所述自组装步骤是将镀银的固体基底浸置在浓度为5mg/L～10mg/L的羧酸根功能化的单壁碳纳米管乙醇水溶液中自组装12～48小时。
9.如权利要求4所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，所述自组装步骤是把镀金的固体基底浸置在浓度为5mg/L～10mg/L的含有巯基的单壁碳纳米管乙醇溶液中自组装12～48小时。
10.如权利要求7所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，所述自组装步骤是将带有氨基膜的固体基底浸置在羧基功能化的浓度为1mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管DMF溶液中，加入DCC缩合剂，反应12～48小时。
11.如权利要求1～10的任一权利要求所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，在所述的自组装步骤中施加104～106V/m电场。
12.如权利要求1～10的任意一项所述的单壁碳纳米管的表面组装方法，其特征在于，所述浓硫酸和浓硝酸的混酸液的体积比为1∶1～5∶1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080326 |