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剖切单壁碳纳米管法
剖切单壁碳纳米管,是制作石墨烯纳米带(GNRs)的一种新技术。CNRs是一种纳米结构的石墨烯,在许多应用方面,表现出非常不同的特性。例如,锂离子电池和超级电容器的电极材料。虽然蚀刻石墨烯也可以得到纳米结构的石墨烯,但是蚀刻的边缘粗糙,影响它的电性能。而碳纳米管的合成研究已经比较成熟,生产的碳纳米管性质稳定可控。由于碳纳米管的结构非常稳定,需要引入缺陷打开它们。剖切碳纳米管的方法可以是,氧化和还原、等离子刻蚀和超声。
氧化和还原法是基于溶液的氧化过程打开的碳纳米管。具体过程为:分散碳纳米管在浓硫酸中1–12小时后,用500wt%的高锰酸钾处理。混合物在室温下搅拌1小时,然后加热到55到70℃一小时。当所有的高锰酸钾消耗了,反应物倒在含有少量H2O2的冰中淬灭。溶液在聚四氟乙烯膜中过滤,剩余的固体用酸性的水清洗,然后再用乙醇/乙醚洗涤。由于强氧化过程,原GNRs被高度氧化,使得GNRs是非常绝缘的。为了提高材料的质量,需要在水相的氢氧化铵和水合肼中,进一步化学还原GNRs。但是氧含量仍高于原碳纳米管。
另一个剖切方法是基于等离子体,刻蚀剖切碳纳米管。这里需要准确控制蚀刻,因为碳纳米管容易被等离子体完全地蚀刻掉。利用PMMA聚合基质可以部分地保护碳纳米管。Ar等离子体用于蚀刻碳纳米管/PMMA,这样得到的GNRs质量高于氧化还原法制备的GNRs。
超声波剖切法可以进一步提高GNRs的质量。碳纳米管在空气中煅烧,蚀刻掉杂质和氧化碳纳米管的缺陷。然后在表面活性剂中利用超声波处理,从缺陷处开始纵向剖切碳纳米管。最后,超速离心去除粗大的碎片,得到GNRs分散溶液。
一般来说,物理方法有刻蚀大尺寸材料的能力,但是对设备有一定的要求。然而,材料边缘较差的质量严重影响GNRs的电性能。化学方法可以产生高质量的真正的纳米级宽度的GNRs,并有明确的边缘,但是它无法一体化纳米结构。因此,生产原子级定义的石墨烯纳米结构的技术还有待开发。
图4. 各种方法剖切碳纳米管来制作GNRs
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