單壁碳納米管的分散及其應(yīng)用研究取得新進(jìn)展
單壁碳納米管因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在納電子器件、能量存儲(chǔ)器件、結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。然而，由于單壁碳納米管之間很強(qiáng)的范德華作用力(～500eV/µm)和大的長(zhǎng)徑比(>1000)，通常容易形成大的管束，難以分散，極大地制約了其優(yōu)異性能的發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用。
目前，碳納米管在溶液中的主要分散方法為：非共價(jià)功能化、共價(jià)功能化和溶劑剝離。其共性是需要借助較大的機(jī)械力，如以高頻超聲、球磨等促進(jìn)碳納米管的分散，然后采用高速離心分離去除大的管束。大的機(jī)械力不可避免地會(huì)損傷碳納米管，高速離心分離出大的管束而損失碳納米管。此外，非共價(jià)功能化法會(huì)引入難以完全去除的表面活性劑或聚合物等輔助碳納米管分散的添加劑，降低了碳納米管網(wǎng)絡(luò)的電、熱輸運(yùn)性能；共價(jià)功能化法會(huì)破壞碳納米管功能化位點(diǎn)的sp2結(jié)構(gòu)；溶劑剝離法所用溶劑通常毒性大、沸點(diǎn)高且分散效率低。因此，在保持結(jié)構(gòu)完整和無(wú)添加劑的前提下，將碳納米管在普通溶劑中進(jìn)行有效分散仍是單壁碳納米管研究與應(yīng)用面臨的重要問(wèn)題和挑戰(zhàn)之一。
最近，沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部的科研人員開(kāi)發(fā)了一種單壁碳納米管在水、酒精、丙酮等常用有機(jī)溶劑中自發(fā)分散的方法(國(guó)家發(fā)明專利，201110180590.7)，無(wú)需借助外力和外加分散輔助劑，在很好地保持單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)完整性的前提下，使單壁碳納米管以單根或小管束的形式均勻分散在溶液中(圖1)。
圖1 單壁碳納米管的自發(fā)分散及其分散狀態(tài)表征與統(tǒng)計(jì)
a: 單壁碳納米管在水中自發(fā)分散i) 0min，ii) 10min，iii) 1h，iv) 48h的照片；b: a圖中iv)的原子力顯微鏡照片；c: 單壁碳納米管管束大小的統(tǒng)計(jì)圖，顯示分散液中的單壁碳納米管大多以單根或小管束的形式存在。
該方法的原理主要是基于所制備的單壁碳納米管產(chǎn)物中通常含有無(wú)定形碳、碳納米顆粒以及碳片段等碳質(zhì)副產(chǎn)物(CB)，這些碳質(zhì)副產(chǎn)物較碳納米管具有更低的結(jié)晶性以及更高的化學(xué)反應(yīng)活性，通過(guò)控制反應(yīng)條件可以被選擇性功能化，而碳納米管的結(jié)構(gòu)基本不受影響。據(jù)此，他們首先利用發(fā)煙硫酸的插層、溶脹作用，將碳質(zhì)副產(chǎn)物暴露出來(lái)，然后通過(guò)控制硝酸功能化條件，使得碳質(zhì)副產(chǎn)物被羧基化(-COOH)，而保持碳納米管本身的結(jié)構(gòu)完整性。與表面活性劑類似，這些功能化的碳質(zhì)副產(chǎn)物具有兩親性，可改善碳管與溶劑的相互作用，促進(jìn)碳納米管的分散。最后，被超強(qiáng)酸插層、溶脹后的單壁碳納米管束在溶劑化和功能化碳質(zhì)副產(chǎn)物助分散作用下克服了相互間的范德華作用力分散成極小管束甚至單根，自發(fā)擴(kuò)散到溶劑中形成穩(wěn)定的分散液(圖2)。該方法分散的碳納米管可望在薄膜電子、復(fù)合材料等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
圖2 制備可自發(fā)分散單壁碳納米管的原理及過(guò)程
a: 單壁碳納米管(SWCNT)束；b: 發(fā)煙硫酸插層溶脹的單壁碳納米管束；c: 碳質(zhì)副產(chǎn)物(CBs)選擇性功能化后可自發(fā)分散的單壁碳納米管。
透明導(dǎo)電薄膜是觸摸屏、平板顯示器、光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等電子器件的重要組成元件。碳納米管透明導(dǎo)電薄膜以其高的透明導(dǎo)電性以及柔韌性的特點(diǎn)，有望取代資源缺乏、脆性的銦錫氧化物成為新一代透明導(dǎo)電膜而獲得廣泛應(yīng)用。研究人員利用單壁碳納米管自發(fā)分散液中無(wú)添加劑以及單壁碳納米管高結(jié)構(gòu)完整性的特點(diǎn)，制備出在透光率為82%和90%時(shí)表面電阻分別為76和133Ω·sq-1 的單壁碳納米管透明導(dǎo)電膜(圖3)，
圖3 利用自發(fā)分散單壁碳納米管制備的透明導(dǎo)電薄膜的形貌及性能
a: 薄膜的透射光譜，(插圖)薄膜的宏觀照片；b: 薄膜的掃描照片；c: 薄膜透明導(dǎo)電性能隨其厚度的變化曲線；d: 薄膜的吸收光譜。
為單壁碳納米管在透明導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)柔性電子的發(fā)展具有重要意義。以上研究得到了國(guó)家基金委、中科院和科技部的資助，相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Functional Materials (2011), 21: 2330-2337上。
