CN101704503A - 一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法 - Google Patents

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本发明涉及一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于将较短的一维纳米材料通过外场诱导作用，实现一维纳米材料的有效接枝；其合成过程的特征具体表现为：采用酸或碱处理的方式在一维纳米材料两端引入各种官能团；将碳纳米管等一维纳米材料置于酸或碱溶液中，在不同温度下处理不同的时间，在其两端引入-OH、-CHO、-COOH等官能团；通过外加电磁场的诱导，使溶剂中碳纳米管等一维纳米材料发生取向性偏转，形成链式排列；由于电场导致碳纳米管等一维纳米材料发生接触，并实现软连接；将软连接的碳纳米管等一维纳米材料在一定条件下脱除官能团，并完成连接处结构的自愈合，合成专利要求的长度可控的一维纳米材料。

Description

一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法
技术领域
本发明涉及一维纳米材料的接枝制备方法，具体设计利用外场诱导合成长度可控一维纳米材料的新方法。
背景技术
一维纳米材料制备的发展思路可概括为：以性能为牵引，以器件为目标。在一维纳米材料的研究与应用中，有一个非常重要的问题便是如何以有效、可控的方式制备一维纳米结构材料：①控制纳米材料的成分及形貌；②控制纳米材料的微观结构、减少缺陷。一般来说，一维纳米材料的合成主要通过促进固态结构沿着一维方向进行结晶凝固。一维纳米材料的制备方法按照策略划分可归纳为：①固体各向异性的晶体学结构所决定的定向生长；②VLS生长机制中液滴产生的固-液界面产生的限域性；③各类具有一维形貌的模板的引导作用；④零维纳米材料的自组装行为；⑤包敷剂动力学控制仔晶不同晶面的生长速度。按照生长机制的特点可将一维纳米材料的制备分为：气相法及液相法。但无论哪一种方法，都无法直接获得高长径比、低缺陷的超长一维纳米材料，在较大程度上限制了一维纳米材料在物理性能测试、超强复合材料、纳米器件组装等领域的研究工作。
一维纳米材料的发展将主要致力于可控技术的发展，实现“随机生长”向“可控生长”发展，只有实现一维纳米材料的可控生长，才能获得所需要的结构及性能，才能有的放矢的进行应用。利用外场作为纳米材料自组装生长原动力合成组织规则的新材料是一个新的研究方向[Wang，JH，et al.Chemistry ofMaterials，2008，20：20；Dalosto，SD and Levine，ZH.Journal of Physical Chemistry C，2008，112：8196；Weerts，K，et al.Journal ofApplied Physics，2008，103：0943071]。借助电磁场的电/磁偶极矩作用促使纳米材料在生长的过程中发生取向性自组装的一种方法。人们对微粒在外加电场作用的研究主要经历了两个阶段：①观察在外场的作用下微粒的运动情况；②微粒在基体中排列取向，制备功能复合材料[Hu，ZH，et al.Nano Letters，2006，6：2585；Kamat，PV，et al.Journal of the American ChemicalSociety，2004，126：10757]。M.Tanase等[Tanase，M，et al.Nano Letters，2001，1：155]用铝纤维作为模板通过化学气相沉积方法制备了镍纳米线，研究发现磁场诱导镍纳米短线在溶剂中取向排列，并形成头尾相接形成了较长的镍纳米线链，而且随着外磁场强度的增加，自组装的纳米线链的长度也逐渐增加。Wang等[Wang，HQ，et al.Composites Science and Technology，2008，68：238]研究发现，在直流电场作用下，纳米石墨微片树脂基体中沿电场方向取向(石墨的平面平行于电场方向).
一般来说，增加纳米材料长径比与减少缺陷是矛盾的，如何实现长度可控、低缺陷一维纳米材料的合成是纳米尺度制造领域中的难点与热点。相关研究发现，外场诱导作用有利于实现零维以及一维纳米材料在溶剂中实现取向性排列，但是如何利用外场诱导作用实现一维纳米材料的有效接枝合成长度可控、缺陷少的一维纳米结构材料则鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其是利用外加电磁场的作用而产生的电/磁偶极矩诱使溶剂中的一维纳米材料沿电/磁场线取向排列，依靠感应电荷之间的库仑作用使其形成一维纳米材料链，即软连接，而后在高温反应或液相反应实现一维纳米材料链的有效连接。本发明可以推动一维纳米材料在纳米电子和光电子器件等集成电路和功能性元器件方面的应用。
本发明的技术方案如下：
一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法：
1、采用酸或碱处理的方式在一维纳米材料两端引入各种官能团。将碳纳米管等一维纳米材料置于酸或碱溶液中，在不同温度下处理不同的时间，在其两端引入-OH、-CHO、-COOH等官能团。通过外加电/磁场的诱导，使溶剂中碳纳米管等一维纳米材料发生取向性偏转，形成链式排列。由于电场导致碳纳米管等一维纳米材料发生接触，并实现软连接。将软连接的碳纳米管等一维纳米材料在一定条件下脱除官能团，并完成连接处结构的自愈合，合成专利要求的长度可控的一维纳米材料。
上述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所述的所采用的外加电/磁场包含直流电场与交流电场、稳衡磁场与交变磁场。
上述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所要求的对象包含纳米管、纳米锥、纳米线、纳米棒等不同长径比的一维纳米材料。
上述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所述的一维纳米材料的成份包含碳、硅、硼等单质金属或非金属材料；氧化锌、氧化锡、钴铁氧体、钡铁氧体等单质/多元氧化物；碳化硅、氮化镓、硫化锌等碳化物/氮化物/硫化物等各类化合物材料。
上述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所述的纳米材料的官能团化所需的化学试剂包括各类酸/碱(硝酸、盐酸、硫酸、氢氟酸等中强酸；氢氧化钠、氢氧化钾等中强碱)、过氧化氢等氧化剂、甲苯等有机化学试剂，所采用的方法包括浸渍法、回流法等。纳米材料开展表面修饰的方法包括偶联剂法、微乳液法、微胶囊法、复合法、表面活性剂法等表面修饰方法。
上述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所述的结构重整的方式包含：热蒸发法、化学气相沉积法、水热法、溶剂热法、高温晶化法等纳米材料合成方法。
本发明提供的方法实施方便，对实验设备要求不高；可以改善超长一维纳米材料的微观结构、降低缺陷；本发明方法合成的超长一维纳米材料具有较好的微观结构，可以推动一维纳米材料在纳米电子和光电子器件等集成电路和功能性元器件方面的应用。
具体实施方案
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的使用范围并不受这些实施例的限制。
实施例1：
取纳米碳管2g放入150ml浓硝酸中，150℃回流3h后，过滤，并用去离子水反复冲洗至pH＝7.取部分纳米碳管水溶液，采用直流电场(强度为100V/mm)、稳恒磁场(强度为2T)作为外场，保持电力线与磁力线水平平行同向分布，置于外加电磁场中静置12h.在保持外界电磁场的作用下，在80℃缓慢蒸发溶剂，得到软连接的纳米碳管链.采用高温石墨炉在2200℃下，通入甲烷与氢气混合气体(1∶4)200ml/min处理30分钟，后在氢气条件下降至室温，即可以得到专利要求的超长纳米碳管.
实施例2：
取纳米硅线2g放入0.1M NaOH中，60℃搅拌3h后，过滤，并用去离子水反复冲洗至pH＝7。首先采用交流电场(100V/mm，500Hz)作用于含纳米硅线的水溶液6h，而后迅速采用直流电场(强度为200V/mm)、稳恒磁场(强度为0.5T)作为外场，保持电力线与磁力线水平平行同向分布，静置处理24h。在保持外界电磁场的作用下，采用冷冻干燥技术蒸发溶剂，得到软连接的纳米硅线链。采用热蒸发法完成纳米硅线链结构的自愈合，以Si粉为硅源以Ar气为载体，在1200℃～1500℃下处理2h～12h，后在Ar气保护下降至室温，即可以得到专利要求的超长纳米硅线。
实施例3：
取氧化锌纳米棒2g与一定量的水在甲苯溶液中回流反应3～5h后，在甲苯溶液洗涤。首先采用交流电场(100V/mm，500Hz)作用于含氧化锌纳米棒的水溶液6h，而后迅速采用直流电场(强度为200V/mm)、稳恒磁场(强度为1T)作为外场，保持电力线与磁力线水平平行同向分布，静置处理24h。在保持外界电磁场的作用下，采用冷冻干燥技术蒸发溶剂，得到软连接的氧化锌纳米棒链。采用水热法完成氧化锌纳米棒结构的自愈合，将上述所得的样品，放入硝酸锌、氢氧化钠(摩尔比为1∶10～1∶40)的混合水溶液中，在120℃～150℃水热6～12h后，即可以得到专利要求的超长氧化锌纳米棒。

Claims (6)

1.一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于将较短的一维纳米材料通过外场诱导作用，实现一维纳米材料的有效接枝；其合成过程的特征具体表现为：采用酸或碱处理的方式在一维纳米材料两端引入各种官能团；将碳纳米管等一维纳米材料置于酸或碱溶液中，在不同温度下处理不同的时间，在其两端引入-OH、-CHO、-COOH等官能团；通过外加电磁场的诱导，使溶剂中碳纳米管等一维纳米材料发生取向性偏转，形成链式排列；由于电场导致碳纳米管等一维纳米材料发生接触，并实现软连接；将软连接的碳纳米管等一维纳米材料在一定条件下脱除官能团，并完成连接处结构的自愈合，合成专利要求的长度可控的一维纳米材料。
2.根据权利要求1所述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所述的所采用的外加电/磁场包含直流电场与交流电场、稳衡磁场与交变磁场。
3.根据权利要求1所述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所要求的对象包含纳米管、纳米锥、纳米线、纳米棒等不同长径比的一维纳米材料。
4.根据权利要求1所述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所述的一维纳米材料的成份包含碳、硅、硼等单质金属或非金属材料；氧化锌、氧化锡、钴铁氧体、钡铁氧体等单质/多元氧化物；碳化硅、氮化镓、硫化锌等碳化物/氮化物/硫化物等各类化合物材料。
5.根据权利要求1所述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所述的纳米材料的官能团化所需的化学试剂包括各类酸/碱(硝酸、盐酸、硫酸、氢氟酸等中强酸；氢氧化钠、氢氧化钾等中强碱)、过氧化氢等氧化剂、甲苯等有机化学试剂，所采用的方法包括浸渍法、回流法等。一维纳米材料开展表面修饰的方法包括偶联剂法、微乳液法、微胶囊法、复合法、表面活性剂法等表面修饰方法。
6.根据权利要求1所述的一种一维纳米材料接枝可控合成的新方法，其特征在于所述的结构重整的方式包含：热蒸发法、化学气相沉积法、水热法、溶剂热法、高温晶化法等纳米材料合成方法。
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