一种半导体型碳纳米管的富集方法技术

本发明专利技术公开一种半导体型碳纳米管的富集方法。即首先将固体氧化性化合物溶解在液体试剂中得固体氧化性化合物溶液；然后将需要纯化的单壁碳纳米管均匀分散到上述所得的固体氧化性化合物溶液中，得到浓度为0.1-0.5mg/ml碳纳米管分散液；再将所得的碳纳米管分散液置于微波反应器中进行反应，控制其反应温度40-150℃，时间25-120min，得到的反应液依次经过滤、洗涤、干燥后，于真空或者惰性气氛中进行退火后，即得半导体型碳纳米管。本发明专利技术的半导体型碳纳米管的富集方法使分离后的碳纳米管保持结构与性能稳定，有利于实现对碳纳米管分离过程的精确控制，最终获得半导体型碳纳米管的含量达90-93%的产品。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开。即首先将固体氧化性化合物溶解在液体试剂中得固体氧化性化合物溶液；然后将需要纯化的单壁碳纳米管均匀分散到上述所得的固体氧化性化合物溶液中，得到浓度为0.1-0.5mg/ml碳纳米管分散液；再将所得的碳纳米管分散液置于微波反应器中进行反应，控制其反应温度40-150℃，时间25-120min，得到的反应液依次经过滤、洗涤、干燥后，于真空或者惰性气氛中进行退火后，即得半导体型碳纳米管。本专利技术的半导体型碳纳米管的富集方法使分离后的碳纳米管保持结构与性能稳定，有利于实现对碳纳米管分离过程的精确控制，最终获得半导体型碳纳米管的含量达90-93%的产品。【专利说明】
本专利技术涉及，属于碳纳米管材料制备
。单壁碳纳米管因其独特的单碳原子层构成的中空管状结构而具有非常独特的性能，尤其是半导体型单壁碳纳米在纳米电子器件领域具有重要的应用价值，可用于太阳能电池、纳米传感器、高性能纳电子器件、场发射材料以及能量存储器件等
。
技术介绍
碳纳米管可以比作是由石墨层按照一定方向卷曲而成具有纳米空腔结构的一维管状纳米材料，其与富勒烯等一同被看作碳元素的同素异形体。由于其独特的化学结构以及优异的物理化学性质，自从被发现便吸引全世界材料科学家的极大兴趣，它被预测为21世纪最有前途的一维纳米材料之一。1993年Iijima与IBM实验室的Bethune等分别独立的合成了单壁碳纳米管(以下简称SWCNTs)。它以其独特的电学、化学、力学和热学性能迅速成为学术界的研究热门。SffCNTs是结构最简单的碳纳米管，其可以被看作是单层石墨烯片按照一定的晶体学矢量方向卷曲而成的无缝空心圆筒，其直径一般在1.0nm~2.0nm左右,但长度可达十微米甚至几毫米。由于卷曲矢量的不同，单壁碳纳米管呈现出不同的化学结构及性质，因此按照电学性质的不同，SWCNTs可分为金属型单壁碳纳米管(以下简称Μ-SWCNTs)与半导体型单壁碳纳米管(以下简称S-SWCNTs)两类。目前所获得的单壁碳纳米管都是金属型和半导体型的混合物，其中M-SWCNTs约占33%，S-SWCNTs约占67%。M-SffCNTs禁带宽度几乎为零，其费米能级附近有密度适中的电子，具有优异的导电性能、良好的弹道输运特性，是制备纳米导线的理想材料；而S-SWCNTs是制备纳米半导体电子器件的优良材料，具体应用领域包括晶体管、逻辑门、导电薄膜、场发射管、传感器、光学器件等。然而时至今日，用目前已知的所有制备单壁碳纳米管(SffCNTs)的方法，包括电 弧放电法、激光蒸发法和化学汽相淀积法，所获得的产物均为不同管径大小、手性结构各异碳纳米管的混合物。由于SWCNTs的性质独立地依赖其化学结构，因此这种不同产物的机械性混合导致SWCNTs在电学方面的性能与功能大打折扣，甚至距离其理论值相差甚远，这极大的阻碍了单壁碳纳米管在众多领域的应用研究进展。尽管近年来科学家们在单壁碳纳米管的可控制备方面已取得了很大进展，相关研究结构也表明选择性制备具有较窄管径分布的SWCNTs是可能的，但是还没有一种成熟的技术或方法能够合成出单一种类的SWCNTs，这也许是碳纳米管至今还没有进入商业化应用阶段的主要原因。因此，人们开始对一种新方法进行研究，在该方法中先生长出金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管的混合物，然后通过选择性去除某种类型尤其是金属型碳纳米管，而获得最终的理想S-SWCNTs。人们提出了一种密度梯度超高速离心分离法，其基本原理是超高速离心分离均匀分散到液相介质中的SWCNTs时，根据不同管径碳管的沉降系数的不同而实现分离。这种方法虽然是一种非常有效的分离技术，但是该分离方法对半导体碳纳米管的手性选择性不明显，而且在实际操作中具有一定的局限性。人们还报道了一种分离出金属型碳纳米管的方法-电泳分离法，该方法是将碳纳米管分散到溶液中，通过电泳让金属型碳纳米管附着到电极上。这种分离方法的优点是操作简单，但其缺点是很难进行较大量的分离操作，不适合量产，因此大大抑制了其实用性。此外，还包括通过DNA选择性与特定手性碳纳米管相结合而实现分离的方法、混酸选择性氧化法等。综上所述，研究并发展一种在提高分离或富集单壁碳纳米管的有效性的同时，还尽可能保留所获得的产物的基本特性的、操作简单、易于规模化的分离碳纳米管的新技术仍然是本领域一个亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供。所述方法中同时引入了对不同类型碳纳米管具有选择性作用的液体试剂，以及微波辐射处理。前者兼具分散碳纳米管与选择性分离的作用，而后者不仅使得液体试剂对不同类型的碳纳米管的选择性更加明显，同时也大大降低了反应和处理时间，因此本专利技术中涉及的分离碳纳米管的方法使得分离工序更加简便、分离效率大大提高。本专利技术利用微波辐射与液体试剂对金属型碳纳米管的双重作用，使分离后的碳纳米管保持结构与性能稳定，有利于实现对碳纳米管分离过程的精确控制，以获取结构完整的半导体型碳纳米管样品，并易于实现碳纳米管大量、高效、精确分离，为商业化分离碳纳米管提供了一条有效途径。本专利技术的技术方案 ，以固体氧化性化合物为氧化剂，液体试剂为溶剂，采用单模微波对需要纯化的单壁碳纳米管进行处理，该方法包括:固体氧化性化合物溶液的配制、碳纳米管分散液的配制；微波加热碳纳米管分散液；过滤、洗涤、干燥、退火等步骤，即得半导体型碳纳米管，其中退火主要是除去在处理过程中被碳管吸附的羟基、硝基等官能团。以上所述的，具体包括如下步骤: (1)、将固体氧化性化合物溶解在液体试剂中，控制固体氧化性化合物浓度为0.1-0.4mg/ml,即得浓度为0.1-0.4mg/ml的固体氧化性化合物溶液； 所述固体氧化性化合物为四氟硼酸硝、四氟硼酸亚硝或氟硼酸重氮盐； 所述液体试剂为去离子水、乙醇、四氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃或二甲基甲酰胺； (2)、将需要纯化的单壁碳纳米管借助磁力搅拌、高剪切混合或超声分散方法将其均匀分散到上述所得的固体氧化性化合物溶液中，控制单壁碳纳米管浓度为0.1-0.5mg/ml,即得到浓度为0.1-0.5mg/ml碳纳米管分散液； 所述的需要纯化的单壁碳纳米管的制备方法没有特殊要求，凡是单壁碳纳米管，包括高压一氧化碳裂解法、电弧放电法、化学沉积法、激光刻蚀法等制备的，均可适用于本专利技术，在本专利技术的优选实施例中采用的是高压一氧化碳裂解法制备而成的单壁纳米管； (3)、将上述所得的碳纳米管分散液置于微波反应器中，控制温度40-150°C，时间25-120min进行反应，得到反应液； (4)、将上述所得的反应液真空过滤，所得的滤饼用去离子水洗涤至流出液的pH值为中性后，将滤饼在空气中自然干燥24h后，再将滤饼在真空或者惰性气氛中进行退火后，即得半导体型碳纳米管； 上述的退火过程控制温度为600-1000°C，时间为30-60min ； 所述的惰性气体为氩气、氦气或氮气。本专利技术的有益效果 本专利技术的一种半导体型单壁碳纳米管的富集方法，由于采用微波处理得方法使得处理时间由通常的数小时减少到数分钟，分离效率大大提高。进一步，本专利技术的，由于采用微波处理，从而提高所用液体试剂对金属型碳纳米管与半导体型碳纳米管的选择性作用，因此分离效果更好本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体型碳纳米管的富集方法，其特征在于具体包括如下步骤：（1）、将固体氧化性化合物溶解在液体试剂中，控制固体氧化性化合物浓度为0.1?0.4mg/ml，即得浓度为0.1?0.4mg/ml的固体氧化性化合物溶液；所述固体氧化性化合物为四氟硼酸硝、四氟硼酸亚硝或氟硼酸重氮盐；所述液体试剂为去离子水、乙醇、四氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃或二甲基甲酰胺；（2）、将需要纯化的单壁碳纳米管借助磁力搅拌、高剪切混合或超声分散方法将其均匀分散到上述所得的固体氧化性化合物溶液中，控制单壁碳纳米管浓度为0.1?0.5mg/ml，即得到浓度为0.1?0.5mg/ml碳纳米管分散液；（3）、将上述所得的碳纳米管分散液置于微波反应器中，控制温度40?150℃，时间25?120min进行反应，得到反应液；（4）、将上述所得的反应液真空过滤，所得的滤饼用去离子水洗涤至流出液的pH值为中性后，将滤饼在空气中自然干燥24h后，再将滤饼在真空或者惰性气氛中进行退火后，即得半导体型碳纳米管；上述的退火过程控制温度为600?1000℃，时间为30?60min；所述的惰性气体为氩气、氦气或氮气。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱汉迅，申潇，杨俊和，王颖慧，李静，杨光智，张慧娟，唐志红，赵斌，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：