H 2 S O 4 ) to nitric ( H N O 3 ) acid mixture treatment is reported and attributed to the stronger interaction of deuterium bonds with the single-wall carbon nanotube surface. UV-Visible spectroscopy was used to characterize the apparent enhanced solubility of the SWNTs treated in deuterated forms of the acid mixture in comparison to the standard acid mix, while FTIR was used to analyze the nature of the functional groups generated on the SWNTs as a result of the different acid treatments. The apparent enhanced solubility reported here is consistent with the limited number of computational and experimental results published in the literature regarding the interaction of carbon nanotubes with deuterated solvents; however, a detailed understanding of the underlying mechanism responsible for this observation is currently lacking. The apparent increased solubility observed here could potentially be utilized in many applications where carbon nanotube dispersion is required."> 单壁碳纳米管在氘酸混合物中的溶解度增强 - raybet雷竞app,雷竞技官网下载,雷电竞下载苹果
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纳米技术杂志》
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纳米技术杂志》/2008/文章

研究信|开放获取

体积 2008 |文章的ID 296928 | https://doi.org/10.1155/2008/296928

T. Ramanathan, Frank T. Fisher, Rodney S. Ruoff, L. Catherine Brinson， ＂单壁碳纳米管在氘酸混合物中的溶解度增强"，纳米技术杂志》， 卷。2008， 文章的ID296928， 4 页面， 2008． https://doi.org/10.1155/2008/296928

单壁碳纳米管在氘酸混合物中的溶解度增强

t·拉马纳坦，1 弗兰克·t·费雪，2 罗德尼·s·劳夫，3. 和 l .凯瑟琳Brinson1，4

1西北大学机械工程系，美国伊文斯顿60208

2史帝芬理工学院机械工程系，美国新泽西州霍博肯07030

3.美国德州大学奥斯汀分校机械工程系，德州奥斯汀78712

4西北大学材料科学与工程系，美国伊文斯顿60208

学术编辑器:瓦莱里·n·Khabashesku
收到了 2008年1月08
接受 2008年3月17日
发表 2008年4月30日

摘要

单壁碳纳米管(SWNTs)在标准3:1硫酸氘化形式中的溶解性明显增强( H 2 年代 O 4 )转为硝酸( H N O 3. )，并归因于氘键与单壁碳纳米管表面更强的相互作用。紫外可见光谱被用来描述明显增强溶解度氘形式的纳米处理的酸混合物相比标准酸混合,而红外光谱被用来分析官能团的性质上生成的纳米管由于不同酸治疗。本文报道的表观溶解度增强与文献中关于碳纳米管与氘化溶剂相互作用的有限数量的计算和实验结果是一致的;然而，目前还缺乏对导致这种观察的潜在机制的详细了解。这里观察到的明显增加的溶解度可以潜在地用于许多需要碳纳米管分散的应用。

1.介绍

由于其优异的电学和力学性能，单壁碳纳米管(SWNTs)自1991年发现以来一直是研究热点[1]，并提出了多种潜在的应用[2，3.］．许多这些应用可能需要纳米管表面的化学修饰(功能化)，以促进它们集成到更复杂的组装中，因此SWNTs在各种溶剂体系中的溶解一直是一个相当大的研究方向[4］．一种常见的功能化技术是在浓硫酸和硝酸的3:1酸混合物中处理单壁碳纳米管(我们将称之为h酸混合物)，从而在附着羧酸基团的纳米管表面产生缺陷[5，6］．经过这种标准酸处理后的纳米管的溶解度通常比原始纳米管的溶解度大得多。然而，我们最近观察到，用氘化形式的这种酸混合物(3:1的D2所以4: DNO3.，我们将其称为D-acid混合物)使得单壁碳纳米管的溶解度明显增强。这种溶解度的提高归因于氘与纳米管表面相互作用的强亲和力。

2.实验

用于本研究的纯化(>90%)SWNTs为buckypearls (Carbon Nanotechnologies, Inc.， Houston, TX)。如文献报道，这些单壁碳纳米管的直径在0.8-1.3 nm范围内[7］．采用x射线光电子能谱(XPS)研究了接收态单壁碳纳米管的表面性质，结果在别处进行了讨论[8］．氘化形式的硫酸(99%的同位素)2所以4目录编号DLM-33-50，浓度为98% D2所以4在D2O)和硝酸(DNO3.:目录编号DLM-33-50, DNO浓度为65%3.在D2O)在本研究中使用。实验中使用的其他化学物质是重水2O)来自剑桥同位素实验室(Andover, MA);H2所以4(SA 123，浓度98% H2所以4在H2O);和HNO3.(SA 95，浓度为65% HNO3.在H2费希尔科学公司(Hanover Park, IL)。在这项研究中，酸被作为接收，没有进一步的改性。D-酸混合物(4ml)以3:1的比例在小瓶中制备2所以4对DNO3.加入2mg SWNTs(样品I)。用H2所以4和HNO3.(样本II)，加入2 mg SWNTs作为对照。在每一种情况下，小瓶被盖上，并在350瓦的超声浴器中，在40度下超声4小时°C.如下所述，SWNTs在d -酸混合物中溶解度的明显增强具有很高的重现性，并通过使用上述步骤在三个不同的场合重复实验三次来证实。

3.结果与讨论

完成超声处理后，发现单壁碳纳米管在d -酸混合物中的溶解度比标准(未氘化酸)h -酸混合物中的溶解度显著提高。观察到SWNTs在d -酸混合物中的溶解度明显增强，这是高度重复性的，并通过重复实验三次证实了这一点。为了进一步表征d -酸混合物增强的溶解度，将浓缩样品I用重水和d -酸混合物稀释成10%的溶液，而样品II以类似的方式同时使用蒸馏水和h -酸混合物稀释。结果解决方案的照片如图所示1，其中小瓶A和D包含在重水(小瓶A)和D-酸混合物(小瓶D)中D-酸混合物处理的SWNTs(样品I);小瓶B和C(样品II)含有蒸馏水(小瓶B)和h -酸混合物(小瓶C)中h -酸混合物处理过的纳米管。很明显，小瓶A和D(样品I)比包含样品II的相应小瓶更透明。同样值得注意的是，在使用样品I制备的小瓶中缺乏可识别的聚集物。


图1
2 不同SWNT处理稀释至10%溶液。(a) D-酸混合物O;(b)蒸馏水h -酸混合物;(c) h -酸混合物中的h -酸混合物;(d) d -酸混合物中的d -酸混合物。

每个10%的溶液如图所示1然后以12000 rpm离心30分钟(IEC Medispin, Needham Heights, MA)。如图所示，h -酸混合物处理溶液(小瓶B和C)的离心微管(0.6 ml, SciMart, St. Louis, MO)底部收集了显著的SWNT沉淀2．然而，对于用D-酸混合物处理的SWNTs，在D稀释的溶液中发现明显较少的沉淀2O(瓶A)，在氘酸混合物中稀释的溶液(瓶D)中未观察到沉淀1和2表明d -酸混合物对SWNTs的增溶作用明显增强。


图2
2 不同SWNT处理后离心沉淀分散在溶液中。(a) D-酸混合物O;(b)蒸馏水h -酸混合物;(c) h -酸混合物中的h -酸混合物;(d) d -酸混合物中的d -酸混合物。

通过分析样品I的紫外可见光谱(见图)，进一步证实了这种明显增加的溶解度3(一个))和样本二(图3 (b))，使用双光束紫外-可见-近红外分光光度计(Cary 500, Varian, Palo Alto, CA)。数字3(一个)为样品I在d -酸混合物中10%溶液的紫外-可见光谱(图)1， D瓶)，离心后上清液(图2，瓶D)和纯D-酸混合物;图中显示了h -酸混合物处理SWNTs(样品II)的相应数据3 (b)．数字3(一个)结果表明，在325 ~ 400 nm范围内，10%溶液和上清液对d -酸混合物均有较强的吸收，而纯d -酸混合物没有明显的吸收。然而，对于样本II(图3 (b))， 10%的h -酸溶液在此波长范围内仅显示一个弱峰，上清液没有检测到吸收。这表明，超声处理后，d -酸混合物处理的单壁碳纳米管非常精细地分散[9］．相比之下，样品II的分散性不佳，单壁碳纳米管在h -酸溶液中聚集，样品的吸收差。

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(b)
图3
(a) d -酸混合物样品，(b) h -酸混合物样品的紫外-可见光谱。

最后，对D稀释后的样品I进行FTIR光谱(BIO-RAD FTIR FTS 60, Hercules, CA)采集2O和样品II沉淀在蒸馏水稀释后，每个样品用D漂洗好2O和蒸馏水，12000 rpm离心30分钟。收集沉淀并在80℃烘干°C在真空下过夜，然后进行傅立叶变换分析。对于傅立叶变换红外光谱，SWNT样品用KBr很好地接地，并使用液压机将样品制成球团。利用这些颗粒记录了FTIR光谱。d -酸混合物处理样品的FTIR光谱图I沉淀(图4(一))显示约1732厘米的条带−1这可能是由于存在来自羧酸基团的C=O，在1000到1185厘米之间的不同波段−1与C-O - c键和C-O拉伸频率一致，波段在400 - 900 cm之间−1很可能代表芳香环[10］．中间波段在1000到1185厘米之间−1也在C-D弯曲模式范围内[11］．h -酸样品如图所示4 (b)，宽度3430厘米−1为-O-H基团的拉伸频率，1732和1650 cm处为条带−1都是由饱和芳香族羧酸中的C=O键引起的。不出所料，当我的样本被D稀释2O， -O-H拉伸在~3400 cm处不存在−1．

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(b)
图4
(a) d -酸混合物样品，(b) h -酸混合物样品的红外光谱。

样品I光谱中C-O、C-O - c和芳香碳的强烈存在可能是由于重水的相互作用更强，纳米管侧壁上出现了大量缺陷(D2O)在与SWNTs的d -酸混合物中。这一假设与文献中所讨论的从头计算结果一致，根据d键的结合能，d键比h键强[12］．此外，最近对水和单层石墨的计算研究发现，足够大的结合能被认为是水与碳纳米管相互作用的重要因素[13，14］．我们假设水(D2O和H2在d -酸和h -酸混合物中与碳纳米管壁相互作用。在D-酸混合物的情况下，(i) D-酸混合物中DOD的较高结合能和(ii)浓溶液进一步稀释成重水和D-酸混合物(也含有D2O)导致与SWNTs的相互作用更强，导致在这里观察到的d -酸处理的溶解性明显增加。其他研究人员也报道了强烈的C-D相互作用是氘附着在碳纳米管上的原因[11］．因此，我们的初步结论是，D-酸处理后SWNTs的溶解性明显增强是由于D-酸的相互作用增强2O与单壁碳纳米管相比较2O可用于h -酸处理。

综上所述，我们发现以3:1硫酸-硝酸的氘化形式处理单壁碳纳米管可以明显增强碳纳米管的溶解度。这一观察结果与文献中关于碳纳米管与氘化溶剂相互作用的有限数量的计算和实验结果一致;然而，目前还缺乏对导致这种观察的潜在机制的详细了解。关于碳纳米管与不同化学处理形式的相互作用的实验观察，应该进一步从实验和理论两方面进行研究。特别是，目前还不能排除d -酸处理对SWNT结构的破坏程度显著提高的可能性，这实际上可能导致与氧化SWNT具有相似紫外可见光谱和红外光谱的含氧多芳香烃碎片。无论如何，d -酸处理的单壁碳纳米管的溶解性明显增加(或者，d -酸处理导致的大规模结构破坏)都是科学和技术方面的研究热点。在这里观察到的溶解度增加可用于许多需要碳纳米管分散的应用。

致谢

我们感谢萨沙·斯坦科维奇的评论，以及来自美国宇航局生物启发材料大学研究、工程和技术研究所(BIMat)的资助。ncc - 1 - 02037。我们也很感激一位匿名审稿人对这篇手稿早期版本的有用评论。

参考文献

  1. S. Iijima，“石墨碳的螺旋微管”，自然第354期6348, 56页，1991年。视图:出版商的网站|谷歌学者
  2. P. M. Ajayan, L. S. Schadler, C. Giannaris, and A. Rubio，“单壁碳纳米管-聚合物复合材料:强度和弱点”，先进材料，第12卷，第2期10,750页，2000。视图:出版商的网站|谷歌学者
  3. R. H. Baughman, C. Cui, A. A. Zakhidov等，“碳纳米管驱动器”，科学第284期5418,1340页，1999年。视图:出版商的网站|谷歌学者
  4. J. L. Bahr和J. M. Tour，“单壁碳纳米管的共价化学”，材料化学杂志，第12卷，第2期7, 1952页，2002。视图:出版商的网站|谷歌学者
  5. 刘俊杰，A. G. Rinzler, H. Dai等，“富勒烯管道”，科学第280卷5367, 1253页，1998年。视图:出版商的网站|谷歌学者
  6. Y.-P。林毅夫，“功能化碳纳米管的性质和应用，”化学研究报告第35期12, 1096页，2002。视图:出版商的网站|谷歌学者
  7. H. Muramatsu, T. Hayashi, Y. A. Kim et al.，“双壁碳纳米管产生的巴基纸的孔隙结构和氧化稳定性”，化学物理快报，第414卷，第2期。4-6, 444页，2005。视图:出版商的网站|谷歌学者
  8. Y.-P。孙，S. R. Wilson, D. I. Schuster，“碳纳米管在芳胺溶剂中的高溶解和强光发射”，美国化学学会杂志号，第123卷22,5348页，2001年。视图:出版商的网站|谷歌学者
  9. 公元前史密斯,红外光谱解译:一种系统方法， CRC出版社，美国佛罗里达州博卡拉顿，1998年。
  10. B. N. kare, M. Meyyappan, a . M. Cassell, C. V. Nguyen, J. Han，“利用辉光放电中的原子氢实现碳纳米管的功能化”，纳米快报，第2卷，第2期1,73页，2002年。视图:出版商的网站|谷歌学者
  11. S. Scheiner和M. Čuma，“氢和氘键的相对稳定性”，美国化学学会杂志，第118卷，第118号6, 1511页，1996。视图:出版商的网站|谷歌学者
  12. D. Feller和K. D. Jordan，“估算水/单层石墨相互作用的强度”，物理化学学报，第104卷，第104号44,9971页，2000。视图:出版商的网站|谷歌学者
  13. 李华，周斌，付凯。“氘水中氘与碳纳米管的连接，”美国化学学会杂志第126卷第1期14,4669页，2004。视图:出版商的网站|谷歌学者
  14. 傅锴、A. Kitaygorodskiy、A. M. Rao和y . p。Sun，“溶液中氘与碳纳米管的结合，”纳米快报，第2卷，第2期10, 1165页，2002。视图:出版商的网站|谷歌学者

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