碳纳米管改性
碳纳米管的改性
1. 碳纳米管进行酸处理后,碳纳米管表面产生大量的官能团;再将其在sn和Pd溶液中进行敏化活化处理,使碳纳米管表面形成密集的活化点。
结果表明:通过化学沉积方法,金属镍可在活化点沉积并形成包覆层;碳纳米管的改性,高密度的活化点及较低的沉积速率是得到连续包覆层的关键;热处理使得包覆层更加光滑致密。
实验步骤为:1)将碳纳米管在HNO和Hz()按体积比]:2配制的溶液中搅拌、超声波分散,加热煮沸90min,清洗,再在HCI和Ho ()按体积比4:3配制的溶液中进行同样的处理后,即得到纯化的碳纳米管;2)将纯化过的碳纳米管在10 g / i o SnCl: • 2Ho O十40 g /1,Hcl溶液中进行敏化处理40 min ; 3)用敏化后的碳纳米管在0,5 g /i,PdC[z+0. 25 mI。
HC溶液中活化处理们min。
每一步骤后均用去离子水充分洗涤。
2. 碳纳米管因其优异的力学、物理性能, 是一种理想的复合材料增强体,但其与基体金属的润湿性较差. 通过对镀钴前碳纳米管的微波、氧化、敏化和活化处理, 改善了碳纳米管的表面性能并在碳纳米管表面增加了活化点, 成功地在碳纳米管表面镀上一层较为连续的金属钴,以改善碳纳米管与金属基体的润湿性,增强与金属基体的界面结合力.并用XRD TEM寸镀钻后的碳纳米管进行了表征.3. 采用微波对碳纳米管进行热处理,消除非晶碳改善碳纳米管结晶度。
然后将微波处理过的碳纳米管分别用4mol/L的NaOl溶液、浓HCI和浓HNO<,3进一步提纯和氧化处理,除去其中的Si、Fe、Al等杂质,进一步提高碳纳米管的纯度。
浓HNO<,3处理碳纳米管时在碳纳米管表面可接枝羰基(>C=O)、羟基(—OH)羧基(一COOH等有机官能团,改善其表面性能,这些有机官能团有利于对碳纳米管进行敏化和活化处理。
4. 通过硝酸和盐酸的纯化,得到了纯度较高的碳纳米管,并使碳纳米管表面产生大量的官能团5. 通过浓硝酸回流处理以及聚乙烯醇氧化的方法改善碳纳米管的分散性,碳纳米管的顶端被打开,随着时间的增加,弯曲的碳纳米管断裂成较短的碳纳米管,较好的解决了碳纳米管的团聚问题。
碳纳米管在催化剂载体中的应用
碳纳米管在催化剂载体中的应用近年来,碳纳米管作为一种具有特殊结构和优异性能的纳米材料,已经引起了广泛的研究兴趣。
在催化剂领域,碳纳米管作为载体具有许多独特的优点,因此被广泛应用于催化剂的制备和应用中。
首先,碳纳米管具有高比表面积和良好的导电性。
由于碳纳米管具有纳米级的尺寸和丰富的孔隙结构,使得其比表面积相对较大。
这一特点使得碳纳米管能够提供更多的活性位点,从而提高催化剂的反应活性。
同时,碳纳米管还具有良好的导电性,能够促进电子传输,提高催化剂的电催化性能。
其次,碳纳米管具有良好的热稳定性和化学稳定性。
由于碳纳米管的碳-碳键结构稳定,使得其在高温和强酸碱等恶劣条件下具有较好的稳定性。
这一特点使得碳纳米管能够在催化剂的制备和应用过程中保持较好的结构稳定性,从而延长催化剂的使用寿命。
此外,碳纳米管还具有良好的载体效果和可调控性。
由于碳纳米管的孔隙结构和表面官能团的存在,使得其能够有效地吸附和固定催化剂活性组分。
这种载体效果能够提高催化剂的分散性和稳定性,进而提高催化剂的活性和选择性。
同时,碳纳米管的结构和性质可以通过控制制备条件和表面修饰等手段进行调控,从而实现对催化剂性能的精确调控。
基于以上优点,碳纳米管在催化剂载体中得到了广泛的应用。
例如,在金属催化剂中,碳纳米管可以作为载体来固定金属纳米颗粒,提高催化剂的稳定性和抗中毒性。
此外,碳纳米管还可以作为催化剂的辅助组分,与金属催化剂形成协同效应,提高催化剂的催化性能。
在有机合成催化剂中,碳纳米管可以作为催化剂的载体和反应介质,提供更多的活性位点和反应场所,从而提高反应效率和选择性。
除了催化剂载体的应用,碳纳米管还可以通过功能化修饰来实现对催化剂的改性。
例如,通过在碳纳米管表面修饰金属离子或有机功能团,可以实现对催化剂的选择性催化和手性催化等特殊功能。
此外,碳纳米管还可以与其他纳米材料相结合,形成复合催化剂,进一步提高催化剂的性能。
综上所述,碳纳米管作为一种优秀的催化剂载体,在催化剂的制备和应用中具有广泛的应用前景。
探析碳纳米管改性方法
探析碳纳米管改性方法1 前言自从1991年碳纳米管被Iijima发现以来,其凭借出众的力学、电学、热学、化学性能、极高的长径比(100—1000)以及纳米尺寸上独特的准一维管状分子结构,表现出运用在未来科技领域里所具有的巨大潜在价值,迅速成为物理、化学、材料科学领域里的研究热点。
碳纳米管是由很多碳原子组合在一起形成的石墨片层卷成的中空管体,根据其石墨片层数的不同,可分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)。
由于碳纳米管主要由碳元素组成,与聚合物的成分相似,所以可以使用CNT来增强聚合物纳米复合材料。
随着的生产CNT方法越来越简便,其价格也越来越便宜,这种方法相对于在聚合物中添加含碳填料来改善聚合物性能等传统方法,改性效果更好,市场需求更广,经济前景更乐观。
可以预见,在不久的将来CNT将会成为制备聚合物基复合材料的主要原料。
2 碳纳米管的处理由于其自身固有缺陷,碳纳米管从合成到被应用到复合材料中,需要经过纯化和表面改性两个过程。
2.1 碳纳米管的纯化目前合成碳纳米管的方法很多,但无论是经典的电弧放电法,还是新兴的水热法、火焰法、固相复分解反应制备法、超临界流体技术法制备成的碳纳米管都不可避免的被各种无定形碳颗粒、无定形碳纤维和石墨微粒等杂质附着,混杂在一起,影响其纳米粒子独有的小尺寸效应、界面效应、量子效应。
它们的化学性质也相似,不但给后续制备复合材料带来困难,而且使其性能的发挥受到很大的影响,所以必须进行纯化处理。
主要的方法是依靠碳纳米管和杂质对强氧化剂的敏感程度不一样,通过控制氧化剂的用量和氧化反应的时间来达到纯化的目的。
目前主要的氧化方法有:气相氧化法、液相氧化法、固相氧化法和电化学氧化法。
2.2 碳纳米管的改性经过纯化处理的碳纳米管仍然不能直接用来制备复合材料,由于它的惰性表面、管与管之间固有的范德华力、极大的比表面积和长径比,会使其在复合材料基体和溶液体系中产生非常严重的团聚与缠结,不利于创造良好的界面和在聚合物中的均匀分散及其优异性能的发挥。
碳纳米管 羧基和羟基
碳纳米管、羧基和羟基一、碳纳米管简介碳纳米管,作为一种由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、空心圆柱状结构,其发现可追溯到20世纪90年代初。
由于具有优异的力学性能、电学性能和化学稳定性等特性,碳纳米管被视为未来材料科学的重要支柱之一。
随着科技的不断进步,碳纳米管在众多领域的应用前景愈发广阔。
二、羧基在碳纳米管中的作用羧基是一种常见的有机官能团,具有酸性。
在碳纳米管的结构中引入羧基,可以显著改变其性质。
一方面,羧基能够增强碳纳米管的亲水性,使其更容易在水中分散或与其他水溶性分子结合。
这为碳纳米管在水处理、生物医学和电化学等领域的应用提供了便利。
另一方面,羧基的引入还可以影响碳纳米管的电学和力学性能,为其在高性能复合材料、传感器和能量存储与转换系统中的应用创造了条件。
三、羟基对碳纳米管的影响羟基是一种含氧的官能团,具有极性。
羟基的引入同样会对碳纳米管的性质产生显著影响。
首先,与羧基类似,羟基可以增强碳纳米管的亲水性,促进其在极性溶剂中的溶解与分散。
此外,羟基的极性使其成为一种优良的界面活性剂,有助于改善碳纳米管与其他材料间的界面结合力。
羟基还可以通过影响碳纳米管的电子结构和化学活性,进而对其电导率、光学性能以及化学反应活性产生重要影响。
四、碳纳米管在羧基和羟基作用下的应用前景1.生物医学应用:由于羧基和羟基增强了碳纳米管的生物相容性,使得它们在药物输送、组织工程和生物成像等领域具有广泛应用前景。
通过精确调控羧基和羟基的数量与分布,可以实现对药物释放行为的精细调控,实现靶向治疗并降低副作用。
此外,基于羧基和羟基改性的碳纳米管还可用于构建生物传感器和生物电极,以监测生命过程中的各种生理参数。
2.能源与环境应用:在能源存储与转换领域,羧基和羟基改性的碳纳米管可被用作高性能电极材料,如锂离子电池和超级电容器。
其独特的结构和电学性能为提高能源设备的能量密度和循环稳定性提供了可能。
在环境治理方面,这些材料可用于水处理过程中的重金属离子吸附和有机染料的光催化降解,有助于实现绿色、可持续的废水处理。
【doc】碳纳米管的分散及表面改性
碳纳米管的分散及表面改性碳纳米管的分散及表面改性高濂刘阳桥(中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室,上海200050)摘要:碳纳米管具有独特的结构和优异的物理化学性能,但碳管间易相互缠绕而发生团聚是限制其应用的主要原因.本文对国内外关于碳纳米管的分散及表面改性的研究进行了综合评述,评述了这些方法的优缺点,并对今后的研究方向做了展望.关键词:碳纳米管;分散;表面改性DispersionandSurfaceModificationofCarbonNanotubes GaoLianLiuYangqiao (StateKeylaboratoryofHighPerformanceCeramicsandSuperfineMierostr uetures,ShanghaiInstituteofCeramics,Shanghai200050)Abstract:Carbonnanotubeshavewidepotentialapplicationsduetotheiruniq uestructuresandexcellentproper-ties.ButtheytendtoagglomerateduetothestrongV anderWaalsinteraction,w hichsignificantlyrestrictstheirappli-cation.Inthispaper,studiesonthedispersionandsurfacemodificationofcarbonnanotubeswerereviewed.Thead- vantagesanddisadvantageswerediscussed.Theresearchdirectionsinthefut urewerealsoproposed.Keywords:carbonnanotube;dispersion;surfacemodification碳纳米管自1991年由Iijimat¨发现以来,以其极高的纵横比和超强的机械性能成为极具应用潜力的一维纳米材料,其应用已涉及到纳米电子器件,催化剂载体,电化学材料,贮氢材料和复合材料增强相等多方面.碳纳米管超强的力学性能可以极大提高复合材料的强度和韧性;独特的导电和光电性能可以改善聚合物材料的电导率和制备新型的光电聚合物复合材料;其独特结构可以制备金属或金属氧化物填充的一维纳米复合材料.这些新兴材料的崛起将对人们的生产和生活产生重大影响.近2年来,随着碳纳米管制备技术的不断发展,大批量,规模化的碳纳米管生产已经成为可能.目前国内已建成有多条碳纳米管的生产线,碳纳米管的产量不断增加,生产成本不断下降,为其走向应用提供了可能.目前制约碳纳米管器件及碳纳米管复合材料应用的主要是其分散以及与基体材料的相容性问题.碳纳米管表面缺陷少,缺乏活性基团,在各种溶剂中的溶解度都很低.另外,碳纳米管之间存在较强的范德华引力加之它巨大的比表面积和很高的长径比,使其形成团聚或缠绕,严重影响了它的应用.而且由于碳纳米管的表面惰性,与基体材料间的界面结合弱,因此,复合材料的性能仍不十分理想.为解决以上2个重要问题,目前人们致力于碳纳米管的分散及表面改性的研究.关于碳纳米管的分散及表面改性,最初是通过对其表面进行共价化学功能化实现的;后来人们开始尝试通过非共价功能化的方法,以期最大限度地保持碳管的结构性能完好;在碳管功能化的基础上,人们将金属,氧化物,氮化物,硫化物等多种纳米粒子包覆在碳管表面对其改性,提高碳管与无机基体的相容性,而且赋予了碳管复合材料更多优异的性能.以下将从上述3方面对碳纳米管的分散及表面改性进行综合评述,并对发展前景进行了展望.作者简介:高濂(1945~),男,本科,研究员,世界陶瓷科学院院士.主要从事高温结构陶瓷和纳米材料的基础研究.现任中国硅酸盐学会特陶分会结构陶瓷专业委员会主任.1141共价功能化碳纳米管的共价化学功能化最初是从氧化剂对碳纳米管的化学切割开始的.1994年Tsang等z1发现,将多壁碳纳米管在强酸中超声可对其进行切割,从而得到开口的碳纳米管.在随后的研究中,Lago等口发现,开口的碳纳米管顶端含有一定数量的活性基团,如羟基,羧基等.1998年,Liu等H 研究了单壁碳纳米管的切割方法,利用强酸和超声波对单壁碳纳米管进行切割,得到了长度介于100~300nm 之间的富勒烯管,接着用体积比为4:1的浓硫酸与30%的过氧化氢氧化,得到端基为羧基的单壁碳纳米管.这些截短的碳纳米管在水中单分散性良好.后来,人们尝试利用其它氧化剂如KCrO,OsO,KMnO等对碳纳米管进行了功能化.活性基团的存在不仅改善了碳纳米管的亲水性,使其更容易溶于水等极性溶剂,而且为碳纳米管与其它物质或基团反应,从而对其表面进行广泛的改性提供了基础.1998年Chen等利用氯化亚砜将强酸氧化单壁碳纳米管(single—walledcarbonnanotubes,简称SWNTs)表面的羧基转换成酰氯,并继续与十八胺反应,得到了SWNTs的十八胺衍生物.这种衍生物可以溶于二硫化碳,氯仿,二氯甲烷等多种有机溶剂,是世界上首次得到的可溶单壁碳纳米管,作者还对其进行了红外光谱,核磁共振氢谱,拉曼光谱,紫外可见光谱等多种表征.SWNTs酰氯与长链醇间的酯化发应也可用于碳纳米管的功能化,而且这种酯化反应是可逆的,在酸或碱的催化下,酯化SWNTs可以水解使单壁碳纳米管得到恢复”.Hamon等还发现,十八胺可以与切割的SWNTs直接发生离子型反应,得到在有机溶剂中呈单分散可溶的碳纳米管.由于离子型反应成本低,操作简单,因此,该法成为适宜大规模功能化碳纳米管的方法之一.Qin等【9还利用碳纳米管羧酸盐与烷基卤(氯,溴,碘)在水介质中的酯化反应,成功地将长烷基链键合在碳纳米管侧壁,实现了碳纳米管在有机介质中的高度分散.并用红外光谱,核磁共振,透射电镜及热分析等方法对功能化的碳纳米管进行了表征.他们的研究发现,反应所需的时间与烷基卤中卤素种类以及碳链长度有关,这种方法简单,高效,而且由于可选择的烷基卤种类很多,是一种十分有前途的功能化方法.酸化碳纳米管表面的羧基与胺类之间的偶合反应也是碳纳米管功能化中常用的反应之一.2000年,Riggs等¨刚利用这类反应首次报道了聚合物共价修饰的可溶性碳纳米管.他们利用线性聚合物(聚丙酰基氮丙啶一氮丙啶)与切割的碳纳米管反应,得到了可溶于有机溶剂和水的SWNTs和多壁碳纳米管(multiwalledcarbonnanotubes,简称MWNTs).他们还发现¨1,这些可溶性的碳纳米管具有光致发光现象,且发光波长覆盖整个可见光谱范围,这表明,可溶性碳纳米管有可能在发光及显示材料中得到应用.同年,刘忠范等¨1利用碳纳米管上的羧基与2一巯基乙胺在二环己基碳二亚胺(DCC)作用下缩合,得到了巯基修饰的碳纳米管,并实现了在金表面上的组装.侧壁氟化的方法最早是由Mickelsont1和Boul等¨1提出的,由于氟化碳管中的氟原子可通过亲核取代反应被其他基团取代,从而实现碳纳米管的进一步功能化,因而成为目前为止较为重要的碳管功能化方法之一.将SWNTs在不同温度下进行氟化反应,得到的氟化碳管在醇溶液中呈亚稳态的单分散.取代氟原子的亲核试剂,包括醇,胺以及烷基锂化合物等【11,取代反应可使碳管侧壁15%的碳原子与功能基团相连接,由于碳管表面与长的烷基链相连,功能化的SWNTs易溶于氯仿,四氢呋喃等多种有机溶剂.Liang等【1引以金属锂和烷基卤化物在液氨中的反应,采用还原烷基化反应实现了单壁碳纳米管的功能化.生成的碳纳米管在常见有机溶剂如氯仿,四氢呋喃及DMF中分散性良好,以单根形式分散.作者认为碳管分散的机理是Li分散在带负电的碳纳米管之间.Liut”1将CVD法制备的单壁碳纳米管在过氧三氟乙酸中进行超声实现了碳纳米管的表面功能化.红外光谱的结果表明:除含氧基团以外,三氟乙酸根基团也与碳管发生了共价键键合.单壁碳纳米管被截断至300nm左右,在极性溶剂如DMF,水,乙醇等介质中分散良好.Sunt等将碳纳米管在苯胺中避光回流3h,利用碳纳米管与苯胺间的质子转移反应,得到了可溶性碳纳米管,其中单壁碳纳米管在苯胺中的溶解度高达8mg/mL,这种苯胺功能化的碳纳米管可溶于多种有机溶剂. 目前为止,尽管有多篇关于碳纳米管共价功能化的文章发表,但这些方法普遍存在的局限是需要大量的溶剂,一般处理1g碳纳米管需要2L左右的溶剂.2003年DykeCA等¨发明了一种无需使用溶剂的功能化方法,为大批l15量功能化碳纳米管开辟了新的途径.方法是将碳纳米管与4一取代苯胺混合,然后缓慢加入异戊基亚硝酸盐,60~C反应完毕获得功能化的碳纳米管,产物在有机溶剂中有比较好的溶解性,在THF中的溶解度达到0.03mg/mL.Sun..和Jiang等¨将碳纳米管在NH,气氛下600~C进行热处理,成功地将胺基等碱性基团通过共价键键合在碳纳米管壁上.作者通过红外光谱对功能化的碳纳米管进行了分析,发现表面存在c—N,N—H等键的伸缩振动峰.一个有趣的现象是,碳管在氨气处理后,大部分开口化,而且通过原位修饰金粒子标识的方法发现,NH处理引入的活性基团主要分布在碳纳米管内壁.这无疑将为碳纳米管管内化学的研究提供了非常有效的基础,将开创化学催化,一维物理及化学等研究的新领域.2非共价功能化虽然碳纳米管的共价功能化在碳纳米管分散及表面改性方面取得了很大的进展,但这类功能化方法是直接与CNT的石墨晶格结构作用,可破坏CNT功能化位点的sp结构,从而可能对CNT的电子特性造成一定程度的破坏.而非共价功能化的方法不会对碳纳米管本身的结构造成破坏,从而可以得到结构保持完好的功能性碳纳米管.碳纳米管的侧壁由片层结构的石墨组成,碳原子的sp杂化形成高度离域化耵电子.这些耵电子可以被用来与含有耵电子的其它化合物通过耵一百非共价键作用相结合,得到功能化的碳纳米管.聚(问一亚苯亚乙烯)衍生物(polyp-phn丫1eneviny1ene—CO一2,5-dioctoxy—m—pheny1eneviny1ene,简称PmPV)是一种共轭发光聚合物,Curran等m】利用多壁碳纳米管与之通过耵一百相互作用形成MWNTs—PmPV 复合材料,这种复合材料在PmPV中形成稳定的悬浮液,用此方法可以分散纯化碳纳米管.Star等1231利用PmPV 对SWNTs进行了功能化研究,结果表明,随着PmPV含量的增大,悬浮液中SWNTs束的平均直径逐渐减小,SWNTs的表面覆盖度逐渐均一.这些结果证实了PmPV通过苯基,乙烯基与SWNTs表面的耵一百相互作用缠绕于碳纳米管上.事实上,本身不含有耵电子的有机化合物也可以与碳纳米管相结合,通过偶极一偶极作用,氢键及范德华力等物理作用与碳纳米管作用,缠绕在碳纳米管表面.O’Connell等成功地将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包裹在SWNTs管壁上,聚合物提高了SWNTs管壁的亲水性,较好地解除了SWNTs 的聚集效应,得到稳定的SWNTs水悬浮液,碳纳米管含量可以达到 1.4g/L.值得一提的是,这种聚合物与碳纳米管间的包裹作用是可逆的,通过改变溶剂体系,聚合物链能从SWNTs管壁上脱落,而且不会影响SWNTs的结构和性质.他们还提出了聚合物链在碳纳米管表面缠绕的3种方式(见图1).赵丽萍等以一种含碱性颜料吸附基团的嵌段结构共聚物聚氨基甲酸乙酯(PAME,BYK—CHEMIEGmbH公司生产)对碳纳米管进行了功能化,分散介质为乙醇.利用共聚物间空间位阻的存在,大大削弱了范德华力的影响,显着改善了碳纳米管在乙醇介质中的分散性,碳纳米管浓度达到10g/L.Bandyopadhyaya等将SWNTs在阿拉伯树胶(GA)水溶液中超声,得到可在数月内保持稳定的悬浮液,这种方法同样适用于MWNTs.他们也认为,GA聚合物链的空间位阻作用是克服碳纳米管间范德华力的主要原因. Islam等1271将单壁碳纳米管在十二烷基苯磺酸钠(NaDDBS)溶液中超声,利用二者间的物理作用,制备了高浓度稳定的SWNTs水悬浮液,原子力显微镜的结果表明,对于浓度高达20mg/mL的SWNTs溶液而言,单根碳纳米管占63%以上.江琳沁等I引系统研究了十二烷基硫酸钠(SDS)对MWNTs 在水中分散性的改善,并采用∈一电位,红外光谱等手段对分散及吸附机理进行了研究.研究表明:SDS的烷基链是通过疏水作用吸附在碳纳米管表面的,SDS上的硫酸根增加了碳纳米管表面的负电量,增加了碳管间的静电排斥力,从而提高悬浮液的稳定性.作者还给出了碳纳米管悬浮液稳定性随碳管和SDS浓度变化的图谱(见图2).116图1聚合物PVP在碳纳米管表面的3种可能的缠绕方式ⅢweigtttofCqqT~,6图2十二烷基硫酸钠(SDS)分散多壁碳纳米管的稳定性图谱汹D--高度分敬∞一少量团聚▲一严重团聚Lil将SWNTs在150g/L的NaOH/乙醇一水(5:1)溶液中超声处理,利用溶液对碳纳米管表面良好的润湿作用,使乙醇钠等离子扩散到碳管束中间,吸附在单根碳管表面,降低管间相互作用力,从而使单根碳管从碳纳米管束上剥离出来.处理后的碳纳米管可容易地溶解在N,N一二甲基甲酰胺(DMF),四氢呋喃(THF),氯仿,四氯乙烯,N一甲基一2一吡咯烷酮(NMP)及环氧树脂等多种有机溶剂中,在NMP中的溶解度达8mg/mL,而且悬浮液可稳定数星期.红外光谱的结果表明,这是一个物理过程,并未有新的共价键生成.3无机纳米颗粒改性碳纳米管碳纳米管经过有机功能化后,表面带上多种活性基团,但为保障其在无机基体介质中良好的分散性,往往需要在功能化的碳纳米管表面包覆或填充某些无机纳米颗粒,改善其与基体的界面结合,从而最大限度地发挥碳纳米管的优异性能.同时,这种无机颗粒改性的碳纳米管本身在非均相催化,太阳能电池,发光材料,传感器等方面也具有重要应用.酸化的碳纳米管由于表面具有一0H,一C00H等活性基团,可以将金属离子或微粒”拴”在碳管上,从而实现无机粒子在碳管表面的包覆.Y u等1成功地将Pt纳米颗粒包裹在酸处理的碳管表面.Huang等¨利用TiC1在碳纳米管硝酸溶液中的水解,原位地将金红石相TiO:颗粒包裹在碳纳米管表面.Liu等在酸化的碳纳米管与Ni¨,Fe,的混合物中滴人NaOH溶液,经水热处理,成功地在碳纳米管表面包覆了NiFeO纳米粒子.利用共价功能化的碳纳米管与有机化合物保护的无机粒子间的化学反应,同样可以实现碳管表面的无机改性.Banerjeel首先对单壁碳纳米管(SWNTs)表面进行酸化处理,在碳纳米管(carbonnanotubes,简称CNTs)表面产生多个羧基基团,利用羧基基团与胺化的TiO颗粒间的反应,得到了TiO颗粒包覆的SWNTs.Ravindran等用含有巯基和端胺基的有机物稳定ZnS包覆的CdSe纳米晶,在乙烯基碳化二亚胺(EDC)脱水剂的作用下,使其胺基与酸处理过的碳管表面的羧基发生偶合反应,以此使半导体纳米晶附着在碳管末端.这种异质连接可作为纳米电子和光电子器件的组建部件等使用.Haremza等通过胺基功能化的CdSe纳米晶与酰卤基团改性的单壁碳纳米管反应的方法实现了CdSe纳米晶在碳管表面的附着.碳纳米管经功能化处理后,表面所带的活性基团在液相介质中常常离解而带有某种电荷,金属离子等受静电引力的作用,会吸附在这些活性基团上,再进行原位合成反应,将生成纳米粒子改性的碳纳米管.图3列举了一些常用表面活性剂及氨气处理后碳管表面垂一电位随pH值的变化曲线.这种方法十分有效,而且选择不同的表面处理手段对碳管表面带电状况进行调控,可实现多种金属,氢氧化物,氧化物,硫化物对碳纳米管的均匀包裹或填充.ZhaoLP_31等以硫化钠为硫源,SDS对碳纳米管进行表面改性,采用原位合成的方法在多壁碳纳米管表面均匀包裹了一层ZnS纳米颗粒,既能保证碳纳米管与ZnS晶粒的有效结合,又能保持碳纳米管霄电子结构的完整性.Jiang等采用2种分散剂SDS和PEI对碳纳米管表面进行非共价键改性,通过原位反应制得CdS包裹的碳纳米管复合材料,以氨气开口的碳纳米管为原料,采用毛细管填充法制备了CdS纳米线填充的碳纳米管复合材料.作者还以SDS改性的MWNTs为原料,利用醋酸锌与氢氧化锂之间的原位反应,在碳纳米管表面均匀包裹了ZnO纳米粉体.这种复合粉体具有极高的光催化活性,对亚甲基蓝降解的光催化活性较单独的ZnO颗粒提高了2倍.作者将其归因于碳纳米管到抑制电子空穴复合的作用.另外,由于碳管独特的结构,还可囤以起到限制原位生成的纳米颗粒长大的作用,在对CdS/MWNTsI371以及ZnS/MWNTs[1的紫外可见光谱分析中,均发现明显的量子尺寸效应.60耋:g墓0瑚_40;一.{毒.一2468lOl2DH经不同处理的碳纳米管考一电位随pH值的变化关系a一原始碳管b一吸附聚乙烯亚胺(PEI)c一氨气处理d一吸附柠檬酸e一吸附PAA卜一吸附SDSg一氨气处理后吸附PEISun等提出一种新颖的方法——反微乳非共价键合法,实现了ZnO,MgO纳米粒子在碳管表面的包覆.在117NaDDBS/环己烷/TritonX一114微乳体系中,利用TritonX一114对二价金属离子的萃取作用,使金属离子聚集在油一水界面,NaDDBS烷基链沿碳管轴向方向水平吸附在碳管表面,疏水链伸入油相.当NHH:O溶液加入时,金属氢氧化物从稳定的微乳液中沉积出来,经过煅烧后,生成表面附着氧化物颗粒的碳纳米管.该方法具有一系列显着优点,如碳纳米管与无机颗粒间是通过非共价键结合的,保证碳纳米管固有的各种物理和化学性质不被破坏;无机纳米颗粒的合成反应被限制在纳米级的微乳液滴中,颗粒尺寸小,团聚程度低;可用于2种或多种无机纳米颗粒在碳纳米管上的包覆等.另外,利用未改性碳纳米管与无机颗粒间较弱的疏水力也可以实现无机颗粒在碳管表面的包覆,但这方面的报道不多,仅Ellis等在2003年报道了疏水作用实现Au颗粒在碳管表面连接的结果,辛硫醇单层保护的金纳米簇连接到未经氧化处理的碳管表面,是通过二者间弱的疏水作用实现的.4结束语目前碳纳米管的合成和应用已经成为材料学界研究的前沿和热点,碳纳米管以其独特的结构和优异的性能,将在纳米制造技术,生物技术,能源,催化,电子材料等方面获得重要应用.如何通过表面处理实现碳纳米管的高度分散并改善其与其它功能和结构材料的相容性,成为推进碳纳米管实用化的关键课题,开展这方面的研究具有重要的意义.对于碳纳米管的分散及表面改性研究,我们认为应着重从以下3方面考虑:(1)选择较为温和的实验条件,最大限度地保持碳纳米管完整的结构和性能;(2)着重研究低成本,大批量简单有效的功能化方法,在这方面气体处理,无溶剂化反应等手段可发挥重要作用.另外,应注重碳纳米管化学与超声化学,微波学,光电化学等多学科的交叉,借助先进的实验手段,实现这一目标;(3)丰富完整碳纳米管的无机改性的研究体系,利用碳管与无机物质间功能特性的协同作用,拓展碳纳米管的应用范围.参考文献1IijimaS.Helicalmicrotubulesofgraphiticcarbon.Nature,1991,354:56—5 82TsangSC.ChenYK,GreenMLH,eta1.Asimplechemicalmethodofopenin gandfillingcarbonnanotubes.Nature,1994,372:159—1623LagoRM,TsangSC,GreenMLH.Fillingcarbonnanotubeswithsmallpalla diummetalcrystallites:theeffectofsurfaceacidgroups. 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碳纳米管的改性及其应用
自 1991年 ,S.Iijima发 现 碳 纳 米 管 (carbon nanotubes,cNTs)以来 [1],CNTs因其 独 特 的结 构 特 征 、奇异 的物理 化 学性 能 和在 未 来 高科 技 领域 潜 在 的应 用 价值 而 备受 人 们关 注 ,很 快成 为 物 理 、化 学 、 生物 、材料 ,医药 等领 域 的研究 前沿 和热 点 。 目前 国 内外 在 CNTs的制 备 、纯 化 、功 能 化 、性 能应 用 等 方 面 已取 得 了大量 的研 究成 果 。随着 CNTs大 量制 备 技术 的 日趋 成熟 及 对其 研 究 的逐 渐深 入 ,现在 人 们 更 为关 注 CNTs的实 际 应用 ,尤 其 是将 CNTs与 聚 合 物 的 复合 。CNTs的 改性 是 实现 其应 用 价值 的前 提和 基 础 。碳纳 米 管表 面 改性 是 通 过物 理 、化 学 方 法改 变 CNTs表 面 的状 态 和 结构 ,提 高 它 的表 面 活 性,改善其 分散 性,增加 与其 它物 质 的相容性 。
非共 价作 用 的表 面 改性 是 利 用表 面活 性剂 、聚
合物 或天 然生 物大分 子 化合 物等 吸 附在 CNTs表 面 以增 加其溶 解性 。这 类方 法一 般 只是 改变 CNTs的 表面 性 质而 不会 破 坏其 原 有结 构 ,对 于保 持 CNTs 的某 些独 特 的物理性 能具 有重要 意 义 。 1.1.1 表 面活性 剂
碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究
碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究的报告,600字本报告旨在研究碳纳米管改性聚四氟乙烯(PVDF)复合材料的摩擦磨损性能。
为此,我们采用了一系列的实验以研究他们的摩擦和磨损性能。
在实验室里,我们使用短碳纳米管改性的PVDF复合材料,作为基础材料,进行了两组实验,一组实验使用多羟基甲酸酐(GH)作为改性剂,另一组实验则使用纤维素醇磷酸酯(HFPO)作为改性剂。
在实验中,接触面的材料通过硬度试验和粗糙度测量来选择,以能够得到较好的摩擦磨损性能。
实验还通过摩擦测试、磨损测试、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等方法来衡量和监测摩擦磨损性能。
通过现有的研究结果,我们发现,在使用GH和HFPO改性PVDF复合材料时,PVDF复合材料的摩擦磨损性能与改性剂的浓度有关。
当改性剂浓度增加时,PVDF复合材料的摩擦磨损性能也相应提升。
在GH改性的情况下,随着改性剂浓度的增加,摩擦系数和磨损因子也不断降低。
而在HFPO改性的情况下,当改性剂浓度超过一定值时,摩擦系数和磨损因子开始出现上升趋势,表明这种改性后材料的摩擦磨损性能会受到一定的影响。
从实验结果可以看出,在碳纳米管改性的PVDF复合材料中使用GH和HFPO改性剂可以改善材料的摩擦磨损性能,因此可以更好地满足工程应用的需要。
但是,对于HFPO改性的情况,如果改性剂浓度超过一定值,摩擦磨损性能就会降低,因此,希望在进一步研究中可以找到一种有效的方法去抑制这种现象。
综上所述,本研究结果表明,碳纳米管改性的PVDF复合材料可以通过使用合适的改性剂,改善其摩擦磨损性能,在不同改性剂浓度下表现出不同的结果。
进一步研究仍然需要进行,以便更加全面理解材料的摩擦磨损性能,并探讨有用的工程应用。
【精品文章】【碳材料】碳纳米管表面功能化修饰及改性
【碳材料】碳纳米管表面功能化修饰及改性
碳纳米管是由单层石墨烯和多层石墨烯片层卷曲而成的一维纳米管状材料,具有机械强度高、化学稳定性好以及优异的导电性和电磁屏蔽性等特点,被认为是高性能复合材料的一种理想填料。
但其表面缺少活性基团、分散性差、加工困难,限制了其应用。
因此,研究者通过对其进行表面修饰改性来提高它的溶解性和分散性。
同时,通过化学或物理的方法将所需功能性基团接到碳纳米管的表面制备多功能性材料,目前,碳纳米管表面进行修饰及功能化改性成为了研究热门领域。
图1 碳纳米管示意图
一、碳纳米管表面修饰及改性
碳纳米管表面功能化修饰主要分为有机修饰、机械修饰、无机包覆。
1、有机修饰及改性
碳纳米管有机修饰及改性主要有共价修饰、非共价修饰。
(1)碳纳米管表面共价修饰
碳纳米管表面共价修饰是在其管壁上通过化学反应引入新的共价键来优化碳纳米管的性能,包含的主要反应有氧化反应、自由基加成、电化学反应、热化学反应等。
氧化反应是通过化学方法在碳纳米管表面引入极性较大的羧基或羟基,从而使碳纳米管材料表面具有活性基团,再通过共价交联反应来引入不同的功能基团。
图2 碳纳米管表面共价修饰示意图
上海交通大学纳米电子材料与器件研究组采用混酸
(H2SO4:HNO3=1:3)和强碱(NaOH)来处理多壁碳纳米管,得到碳纳米。
利用碳纳米管改善混凝土性能的研究与应用
利用碳纳米管改善混凝土性能的研究与应用随着全球建筑业的迅速发展,混凝土建筑材料也被广泛应用于各种建筑场景中。
然而,随着时间推移和科技进步,传统混凝土的性能已经难以满足日益增长的建筑需求。
因此,如何提高传统混凝土的强度、耐磨性和耐久性成为了当今建筑行业的一个重要难题。
碳纳米管是一种具有优秀机械、电学、热学和化学性质的新型材料。
近年来,众多研究表明,将碳纳米管引入混凝土中,可以大幅度提高混凝土的强度和抗裂性能,改善混凝土材料的综合性能,对于解决传统混凝土材料难以改进的问题具有广泛的应用前景。
本文将重点介绍碳纳米管在混凝土性能改善方面的研究现状和应用前景。
一、碳纳米管的性质与应用碳纳米管是一种具有螺旋结构的碳纤维,主要呈现出管状、棒状和薄片状等形态。
它不仅具有高强度、高弹性模量,而且具有良好的机械性能和导电性能。
由于其独特的结构和性质,碳纳米管已经被广泛应用于纳米材料、化学传感器、电子元件、生物医学材料等领域。
与此同时,碳纳米管也逐渐被应用于混凝土材料的改性领域。
研究表明,将碳纳米管掺入混凝土中可以大幅度提高混凝土的强度和耐久性能,从而取代传统的混凝土材料,为建筑工业带来更好的性能和寿命。
二、碳纳米管对混凝土性能的改善1.改善混凝土的强度研究表明,加入碳纳米管后,混凝土的强度能够得到显著提高。
在混凝土中添加1%的碳纳米管可以将混凝土的抗拉强度提高20%以上,同时还能改善混凝土的压实强度和压缩强度。
这是因为,碳纳米管的高强度和高刚度特性可以有效地增强混凝土材料的力学性能。
2.优化混凝土的微结构研究表明,将碳纳米管添加到混凝土中可以对混凝土的微观结构进行优化。
碳纳米管的高比表面积可以显著改善混凝土的表面性质和孔隙结构,从而提高混凝土的密实度和耐久性能。
此外,碳纳米管还可以防止混凝土中晶体的生长,降低混凝土龟裂和损伤发展的风险,提高混凝土的抗裂性能。
3.提高混凝土的可持续性随着全球环境问题的日益严重,研究人员开始关注混凝土材料的可持续性。
亲水碳纳米管
亲水碳纳米管摘要:一、亲水碳纳米管的概述二、亲水碳纳米管的制备方法三、亲水碳纳米管的性能与应用四、亲水碳纳米管在我国的研究进展五、亲水碳纳米管的发展前景正文:亲水碳纳米管(Hydrophilic Carbon Nanotubes,简称HNTs)是一种具有高度分散性、大比表面积和优异力学性能的纳米材料。
近年来,随着纳米技术的发展,亲水碳纳米管在材料科学、化学、生物学和能源等领域展现出广泛的应用前景。
一、亲水碳纳米管的概述亲水碳纳米管是通过在碳纳米管(CNTs)表面引入亲水基团或功能化修饰而得到的一种改性碳纳米材料。
与原始的碳纳米管相比,亲水碳纳米管在水性介质中具有更好的分散性,可以有效提高复合材料的性能。
二、亲水碳纳米管的制备方法1.化学气相沉积(CVD)法:通过在碳源气体中引入金属催化剂,经高温分解生成碳纳米管,随后在表面修饰亲水基团。
2.湿化学法:利用水溶性金属盐与碳源反应,通过水解、缩聚等过程制备亲水碳纳米管。
3.生物法:利用生物质资源(如木材、竹子等)为原料,通过高温炭化、活化等工艺制备亲水碳纳米管。
三、亲水碳纳米管的性能与应用1.分散性:亲水碳纳米管在水性介质中具有良好的分散性,有利于提高复合材料的性能。
2.力学性能:亲水碳纳米管具有较强的抗拉强度、优异的韧性和耐磨性,可应用于高强度、高韧性的复合材料。
3.电学性能:亲水碳纳米管具有较高的导电性和热稳定性,可用于制备超级电容器、锂离子电池等电极材料。
4.生物医学:亲水碳纳米管具有优异的生物相容性和生物降解性,可用于药物输送、生物成像和组织工程等领域。
四、亲水碳纳米管在我国的研究进展近年来,我国在亲水碳纳米管的研究取得了显著成果,不仅在制备方法、性能研究方面取得了突破,还成功将其应用于多个领域。
如制备出具有高强度、高韧性的亲水碳纳米管复合材料,以及应用于水处理、能源存储等领域的亲水碳纳米管材料。
五、亲水碳纳米管的发展前景随着科技的不断进步,亲水碳纳米管在材料科学、生物医学、能源等领域的应用将得到进一步拓展。
碳纳米管改性P(VDF-HFP)基聚合物电解质的电学性能研究
来不及发生 , 交流信号直接从界面电容两端通 过 , 因此用低频信号测试 可以获得 包含界面的信息 , 而用高频信号测试可以获得样品体 电阻。对 应交流阻抗 图巾高频处的拐点位置 , 虚部阻抗趋于 0 直接可 以得到体电 。 阻阻值。 N s C T 含量增多 , 阻抗谱的半 圆逐渐 向高频处收缩 变小 , 5个样品
并掺 入 碳 纳 米 管 , 定该 电解 质 的 交流 阻抗 特 性 和 直 流伏 安 特 性 。结 果 表 明 , 入 适 当 测 加 碳 纳 米管 可 以提 高 电解 质 的 离子 电 导率 , 改善 电 解质 的 电 学性 能。 关 键 词 : 二 氟 乙烯一 氟 丙烯 ; 学性 能 ; 纳 米 管 ; 合 物 ; 偏 六 电 碳 聚 电解 质 中 图分 类 号 :Q 2 T 31 文献 标 识 码 : A
加CT N s的样品 l 来说 , C R 3 无穷大 , C T 含量增 加 , 以 自由移 动 随 Ns 可
聚合 物电解质具有柔 韧性好 、 易加 工 、 电极接触 好等优点 , 与 近年
来。 聚合物 电解质 体系中研究较 多的有聚氧 化乙烯 (E 、 偏二氟 乙 P O) 聚 烯( V F 、 P D )聚甲基丙烯 酸甲酯( M A)聚丙烯腈 ( A ) PM 、 P N 等。偏二氟 乙
烯一 六氟丙烯 共聚物 ( C D — P ) P V F HF ) 基聚合 物电解 质得 到较广 泛地 应 用。但在光电化学太阳能电池 、 锂离子二次电池 巾成为准 固态 电解质 的 导电材料 , 还需改善其电学性 能 . 提高离子电导率, 才能真正从 实验室进 入商业 应用 。因纳米管( N s具有独特的结构和电学性能 , C T) 被认 为是复 合材料理想的添加相 , N s C T 与聚合物 的复合 可能会实现组 元材料 问的
多壁碳纳米管改性聚碳酸酯型聚氨酯的研究
能 方面有 所下 降 。 因此 , U 的改性 研 究成 为 行业 WP
的研 究热 点 。 聚碳 酸 酯 二 元 醇 ( C L) 构 规 整 , 对 分 子 PD 结 相 质量 分布 窄 , 由它 合 成 的 聚氨 酯 产 品既 具 有 聚 酯 型
电镜 ( E , M一2 0型 , T M) J 13 E 日本 电子 株式 会社 ; 声 超
( MWC T ) 聚碳 酸酯 型水 性 聚氨酯 ( WP 进行 N s对 C U)
改性 , 就 MWC T 并 N s的 加 入 对 C U MwC T 复 WP / Ns
清洗 器 ,Q 20 K 50 E型 , 山市超 声 仪器有 限公 司 。 昆
C T ) 既保 留 了 聚 氨 酯 材 料 的基 本 性 能 , 能 使 Ns, 又
级 , 津市 福 辰 化 学试 天
剂厂 ; 丙酮 , 分析 纯 , 天津 市北 方天 医化 学试 剂厂 ; 二 月桂 酸 二 丁 基 锡 ( B L) Ⅳ, 二 甲 基 甲 酰 胺 D T 、 Ⅳ_
水性 聚氨 酯 ( U) WP 在涂 料 、 粘剂 等 领 域得 到 胶
了广 泛 的应用 , 由于 其结 构 中引入 了亲 水基 团 , 但 同 时交 联程 度较 低 , 在力 学性 能 、 耐水解 性 能和耐 热性
合材 料 的耐 热 性 能 、 学 性 能 、 水 性 能 等 进 行 了 力 耐
聚氨酯优 异 的机 械性 能 , 又具 有 聚醚 型 聚 氨 酯 较好 的耐水性 j 。用 P D C L代 替传 统 的多元 醇 来 合 成
WP 产 品耐 水性 能将 得到 很 大改善 。 U, 碳 纳 米 管 ( N s 具 有 长 径 比大 、 学 强 度 高 、 C T) 力
国内知名的碳纳米管厂家推荐
国内知名的碳纳米管厂家推荐国内知名的碳纳米管厂家推荐,碳纳米管自发现以来,由于其独特的结构和奇特的物理,化学和力学特性以及其潜在的应用前景而倍受人们的关注。
但是碳纳米管在溶剂中分散性差、加工操作困难,这极大地限制了它的应用,因而需要通过表面改性来提高它的溶解性和分散性。
那么国内知名的碳纳米管厂家推荐有哪些呢?南京先丰纳米就是不错的选择。
下面就简单的介绍碳纳米管改性方法的介绍。
一、物理法改性采用物理的方法使碳纳米管晶格发生位移,内能增大,内能增大后的碳纳米管易与介质发生反应,在机械力或磁力作用下活性炭纳米管的体表面与介质发生反应、吸附,达到表面改性的目的。
1、超声振荡法利用超声波的高频声波产生振荡,使碳纳米管在介质中进行分散,碳纳米管在介质中分散程度的好坏直接影响碳纳米管的性能与应用效果。
2、高能机械研磨利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒,通过研具与工件在高压力作用下的相对运动对碳纳米管表面进行改性加工。
该法使碳纳米管表面形成晶格缺陷或晶格扭曲,从而得到高活性自由基,使碳纳米管易于与其他材料发生反应。
二、化学法改性利用化学方法引入具有活性的羧基、羟基、氨基等功能团,功能团的引入使得碳纳米管表面的化学性质发生了显著的转变,从而为后续的反应提供了改性的活性点。
1、酸处理法利用碳纳米管的端头及弯折处易被氧化断裂,同时转化为羧基、羟基的特点,采用浓酸或者稀酸处理,使其两端或弯折处开口,引入羟基、羧基等官能团,如图所示,进而增大碳纳米管与溶质间的亲和力,提高其在溶质中的分散性。
2、化学镀法化学镀是近年来被大量研究应用的一种在材料表面制备连续致密包覆层的方法,具有操作方便、工艺简单、镀层均匀、孔隙率小、外观良好等特点。
因其不用外加电源,凡是镀液能浸到的地方,包括微小孔、盲孔都可以得到均匀的镀层,所以在碳纳米管上也拥有优良的包覆性。
以上就是碳纳米管改性方法的介绍,有任何问题,欢迎立即咨询南京先丰纳米公司。
先丰纳米是江苏先进纳米材料制造商和技术服务商,专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、黑磷、银纳米线等发展方向,现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线。
多壁碳纳米管杂化改性苯乙烯-二乙烯基苯共聚物载体的制备及性能
第39卷 第1期 2024年3月 西 南 科 技 大 学 学 报 JournalofSouthwestUniversityofScienceandTechnology Vol.39No.1 Mar.2024DOI:10.20036/j.cnki.1671 8755.2024.01.001收稿日期:2023-03-22;修回日期:2023-04-19基金项目:国家自然科学基金项目(22076154)作者简介:第一作者,樊癑(1997—),女,硕士研究生;通信作者,刘才林(1964—),男,教授,研究方向为有机功能高分子和无机非金属材料,E mail:liucailin2013@163.com多壁碳纳米管杂化改性苯乙烯-二乙烯基苯共聚物载体的制备及性能樊 癑 王一清 刘才林 任先艳 杨海君(西南科技大学材料与化学学院 四川绵阳 621010)摘要:苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(SDB)为载体的Pt/SDB疏水催化剂是氢-水液相催化交换(LPCE)技术的重要材料。
针对SDB载体疏水性不强和强度低等问题,通过KH570,KH560和KH550硅烷偶联剂改性多壁碳纳米管(MWCNTs),再杂化改性SDB载体。
结果表明:杂化改性的SDB载体的水接触角提高了20°以上,抗压强度为基础SDB载体的1.6~3.8倍,热重分析的初始热分解温度提高了4.6~15.8℃。
KH570处理的MWCNTs含有双键,可实现与苯乙烯、二乙烯基苯的三元共聚且掺杂均匀,杂化改性SDB载体效果最佳。
关键词:苯乙烯-二乙烯基苯共聚物 多壁碳纳米管 杂化改性 疏水性 抗压强度中图分类号:O643.36;TQ426.65 文献标志码:A 文章编号:1671-8755(2024)01-0001-08PreparationandPropertiesofMulti walledCarbonNanotubesHybridModifiedStyrene-DivinylbenzeneCopolymerCarrierFANYue,WANGYiqing,LIUCailin,RENXianyan,YANGHaijun(SchoolofMaterialsandChemistry,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China)Abstract:Pt/SDBhydrophobiccatalystwithstyrene-divinylbenzenecopolymer(SDB)asthecarrierisanimportantmaterialforhydrogen waterliquid phasecatalyticexchange(LPCE)technology.InordertosolvetheproblemsofpoorhydrophobicityandlowstrengthoftheSDBcarrier,multi walledcarbonnano tubes(MWCNTs)modifiedbysilanecouplingagentssuchasKH570,KH560andKH550werehybridizedtomodifytheSDBcarrier.TheresultsshowthatthewatercontactangleoftheSDBcarriermodifiedbyhybridizationisincreasedbymorethan20°,andthecompressivestrengthis1.6-3.8timesthatoftheSDBcarrier.Theinitialthermaldecompositiontemperatureofthermogravimetricanalysisincreasesby4.6-15.8℃.Amongthem,MWCNTstreatedwithKH570containsdoublebonds,whichcanrealizeternarycopolymerizationwithstyreneanddivinylbenzene,andthedopingisuniform.ThehybridmodifiedSDBcarrierhasthebesteffect.Keywords:Styrene-divinylbenzenecopolymer;MWCNTs;Hybridmodification;Hydrophobicity;Compressivestrength 核能发电属于清洁能源,在我国能源结构中占据着至关重要的地位。
单宁酸改性碳纳米管
OSID开放科学标识码 (扫码与作者交流)
随 着 科 学 技 术 的 发 展 ,电 子 设 备 正 逐 渐 趋 向 于 小 型 化 ,但 电 子 设 备 的 体 积 减 小 使 得 内 部 元 器 件高度集成,从而导致大量的热积累,对其使用 寿 命 、效 率 以 及 能 耗 产 生 很 大 的 影 响 。 相 对 于 传 统 的 导 热 材 料 ,聚 合 物 基 导 热 材 料 有 着 柔 性 好 和 质 量 小 等 优 点 ,同 时 还 具 有 良 好 的 力 学 性 能 和 成 型 性 能,在 微 电 子 等 领 域 应 用 广 泛[1-7]。 聚 合 物 基 导 热 材 料 主 要 包 括 本 征 型 和 填 充 型 两 类 ,对 比 本 征 型 导 热 材 料 ,填 充 型 导 热 材 料 具 有 易 加 工 、 操作过程易掌握、加工成本低廉、可进行工业化 生 产 的 优 点 ,因 此 目 前 主 要 通 过 向 聚 合 物 基 体 中 填充导热填料的方法来制得聚合物基导热复合 材料[8-12]。
的质量分数为0. 1;f—CNT的质量分数为0. 15;
g—CNT-TA的质量分数为0. 15。
图4 导热复合材料的应力-应变曲线
力 学 性 能 显 著 提 高,这 是 由 于 CNT 的 补 强 作 用 引 起 的;与 CNT/XNBR 复 合 材 料 相 比,CNT-TA/ XNBR 复 合 材 料 的 力 学 性 能 明 显 提 高,这 是 由 于 TA改性改善了CNT与XNBR基体之间的界面相容 性,提高了CNT在XNBR基体中的分散性,从而使 得CNT的增强作用进一步提高。 2. 4 介电性能
碳纳米管改性双马来酰亚胺树脂体系的性能
摘要
采 用原位 聚合 法将 碳纳米管 ( N s 与双 马 来酰 亚胺 ( MI 复合制备 B / N s复合 材料 , C T) B ) MIC T 通过 差示扫
描量热仪分析 了 C T 的用量对 B 树脂体 系反应 活性 的影 响。研 究 了 C T Ns MI N s的 用量 对复合材料静 态力 学性 能 、 动
维普资讯
4
工程塑料应用
20 0 7年, 3 卷 , 2期 第 5 第
碳 纳 米 管 改 性双 马 来 酰 亚 胺 树 脂体 系 的性 能 水
张 麟 梁 国正 杨莉 蓉 何 少波
70 7 ) 10 2 ( 西北工业大学理学院应用化学系 . 西安
倍, 密度只有钢 的 16—17 是聚合物理想 的改性 / /, 材料 。C T 改性 热 塑性树 脂 种类较 多 , 聚 甲基 丙 Ns 如 烯 酸 甲 酯/ N s 高 密 度 聚 乙烯/ N s 聚 乙烯/ C T、 C T、 CT、 N s聚丙 ,/ N s  ̄ C T 等 J而用 C T 改 性 的热 固 , Ns
扫 描电 子显 微镜 ( E :S一 7 S M) 5 0型 , 日本 日立
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子 等微 米 、 米 材 料 与 B 进 行 复 合 , 而 达 到 纳 MI 从
改性 目的 。
动 态 力 学性 能 分 析 ( MA) :nt m n D D 仪 Isu et MA r Q0 8O型 , 国 T 美 A公 司 ;
( 0 56 9 3继续 预 聚 2 i, 所 得熔 体 浇 人 0mn 将
预先清理好并涂有 脱模 剂的玻璃模具 中, 10 于 3 ̄ C 抽 真 空 脱 泡 2 i , 固 化 工 艺 10 2 h+ 5 mn后 按 5 ℃/ 10 2h+10 2h+2 0 2 h进 行 固化 , 处 6 ℃/ 8 ℃/ 0 ℃/ 后
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Journal of Colloid and Interface Science322(2008)321–326/locate/jcisFabrication of silica nanotubes using silica coated multi-walled carbonnanotubes as the templateMyunghun Kim a,Jinho Hong a,Jeongwoo Lee a,Chang Kook Hong b,Sang Eun Shim a,∗a Department of Chemical Engineering,Inha University,253Yonghyundong,Namgu,Incheon402-751,South Koreab School of Applied Chemical Engineering,Chonnam National University,300Yongbong-dong,Puk-gu,Gwangju500-757,South KoreaReceived15October2007;accepted28March2008Available online3April2008AbstractSilica nanotubes were synthesized using the multi-walled carbon nanotubes(MWCNTs)as the template material.First,we prepared silica coated MWCNT composites by surface oxidation of MWCNTs using KMnO4in the presence of a phase transfer catalyst and followed by grafting of2-aminoethyl3-aminopropyl trimethoxy silane,AEAPS.The amine groups in grafted AEAPS on MWCNTs could activate the silica shell formation by acid–base interaction.The synthesized silica was formed a uniform layer on MWCNTs with a controllable thickness and possessed sturdy3-dimensional stability.After calcinations at800◦C,the inner MWCNTs of the composite were completely decomposed and the outer silica shell layer maintained without distortion of its original shape.Finally,we could obtain the silica nanotubes having13.0nm of average layer thickness.©2008Elsevier Inc.All rights reserved.Keywords:Carbon nanotube;Silica;Surface modification;Nanotube;Encapsulation1.IntroductionCurrently,carbon nanotubes(CNTs)play an essential role in variousfields of nano based science and technology[1–4]. Due to their extraordinary mechanical,thermal,electrical,and optical properties,industry and academic communities have fo-cused on CNTs.Moreover,CNTs are expected to substitute a variety of classical materials because of their great possibil-ity in near future[5].Recently,silica coated CNT composites are of interest because they are useful for the advancement of nanoscale sensors and electric devices as well as optical,mag-netic,and catalytic applications[6].Especially,they can pro-mote compatibility with existing silicon based technology.Sev-eral methods have been explored to fabricate the silica coated CNT composites such as(1)synthesis of silica on noncova-lently(usingπ–πinteraction)or covalently(by formingσbond)functionalized CNTs[7–10],and(2)direct coupling re-action with previously modified silica particles and CNTs[11]. *Corresponding author.Fax:+82328720959.E-mail address:seshim@inha.ac.kr(S.E.Shim).In addition,(3)surfactants were employed to give negative or positive charges on CNTs and followed by the synthesis of sil-ica onto surface of CNTs[12–14].In most cases,a uniform silica layer on CNTs was not achieved,whereas dangling silica particles were adsorbed on CNTs,resulting in the incomplete coverage of the surface of CNTs by the silica layer.The insuf-ficient coverage originates from the lack of chemical affinity between the surface of CNTs and silica.The major important considerations in the synthesis of silica coated CNTs are(1)the less-destructive modification of CNTs in a primary functional-izing step,(2)the enhancement of interfacial adhesion between silica and CNTs,and(3)the formation of a uniform silica layer on CNTs with a controllable thickness in nanometer scale.In the chemical oxidation process of CNTs,various oxidants have been conventionally employed,which include concen-trated HNO3,concentrated H2SO4,aqua regia,KMnO4solu-tion(acid/alkali),an aqueous OsO4/NaIO4and so forth[15].It has been known that the genuine CNTs structure experiences severe damage causing the deterioration of their superior prop-erties during the chemical oxidation processing using strong acids at high temperature above100◦C.Therefore,a novel chemical oxidation of CNTs in the presence of a phase transfer0021-9797/$–see front matter©2008Elsevier Inc.All rights reserved. doi:10.1016/j.jcis.2008.03.045322M.Kim et al./Journal of Colloid and Interface Science 322(2008)321–326catalyst (PTC)has been emerged recently in order to func-tionalize CNTs.There exist a few publications regarding the utilization of PTCs for the surface modification of fullerene or CNTs consisting of a planar wall and a hemispherical cap [16–18].It has been found that PTC methodology possesses several advantages over conventional oxidation methods using strong acids:(1)efficiency of oxidation drastically increases,(2)product selectivity between carboxylic acid and hydroxyl group is improved,(3)reaction condition is very mild,and (4)damage of CNTs is minimized [16].In this study,hydroxyl groups were first introduced on the MWCNTs using tetrapropyl ammonium bromide (TPABr)as a PTC in conjunction with potassium permanganate.In order to maximize the silica encapsulation efficiency,hydroxyl groups of MWCNTs reacted with a silane coupling agent containing amine groups,AEAPS.This silane-modified MWCNTs were used to prepare silica coated MWCNTs by the following poly-condensation of tetraethyl orthosilicate (TEOS).Due to strong interaction between basically modified CNTs and acidic TEOS,sturdy silica shell with a controllable uniform thickness was achieved.Such silica coated CNTs were further utilized as the template for the synthesis of hollow silica nanotubes after cal-cinations.Finally,the stable hollow silica nanotubes were fab-ricated using this method.2.Materials and methods 2.1.MaterialsThe MWCNTs synthesized by a thermal chemical vapor deposition (CVD)method using an aluminum nitrate cata-lyst were used (approximately 97%pure,Iljin Nanotech,Ko-rea).The MWCNTs have a diameter of 10–20nm and length of 10–50µm.Hydrochloric acid (36%),potassium perman-ganate (99.3%),methylene chloride (99%),ethanol,methanol (99.9%),ammonium hydroxide (27%),and TEOS (98%)were all purchased from Samchun Chemical Co.,Korea.TPABr (99%)was purchased from Aldrich.Acetic acid (99.8%)was purchased from Duksan Chemical Co.,Korea.AEAPS was pur-chased from Shin-Etsu Chemical Co.,Japan.2.2.Grafting hydroxyl groups on the surface of MWCNTs The impurities such as amorphous carbon and metallic cat-alyst in the MWCNTs were removed by 37%HCl at 60◦C for 4h prior to experiment.0.2g raw MWCNTs and 100ml methylene chloride were added into a 250ml flask and the mix-ture was dispersed by ultrasonication (Bandelin Sonoplus)for 10min in the flask.1g TPABr dissolved in 10ml H 2O,10ml acetic acid,and KMnO 4solution (0.25g of KMnO 4dissolved in 5ml H 2O)were added to the flask.The mixture was stirred vigorously at 25◦C for 24h.The mixture was washed with HCl and filtered with methanol and distilled water through 0.2µm Teflon filter (Adventec MFS).The washing step was repeated at least 4cycles.After vacuum drying the filtrate,0.18g hy-droxyl groups functionalized MWCNTs (MWCNT-OH)wereobtained.Fig.1.Scheme of the reaction between MWCNT-OH and AEAPS for the fol-lowing synthesis of silica coated MWCNTs.2.3.Modification of MWCNT-OH with AEAPS0.05g as-prepared hydroxyl functionalized MWCNTs were dispersed in 40ml toluene by ultrasonication for 10min.After adding an excess of AEAPS,the suspension was refluxed under N 2at 100◦C for 6h.After reaction,the resultant was washed repeatedly with methanol to remove residual AEAPS.2.4.Synthesis of silica coated MWCNTs0.005g of AEAPS-functionalized MWCNTs and 50ml ethanol were charged into the 100ml flask and mixed by ultra-sonication for 10min.After dispersion,ammonium hydroxide (diluted with 5ml ethanol)was dissolved in the mixture.TEOS (diluted with 5ml ethanol)was injected into the flask and the reaction vessel was stirred vigorously at room temperature un-der N 2atmosphere for 24h.After synthesis,the composite was washed with ethanol twice for the removal of secondary silica particles.Finally,silica coated MWCNTs were prepared and characterized.2.5.CharacterizationA scanning electron microscopy (SEM)(S-4300,Hitachi)and transmission electron microscopy (TEM)equipped with selected area electron diffraction (SAED)(CM200,Philips)were used for observation of the structure variation of sil-ica coated MWCNT.Thermogravimetry analysis (TGA)was performed at a heating rate of 20◦C /min under oxygen at-mosphere on TGA/SDTA 851,Mettler Toledo Co.X-ray dif-fraction (XRD)was measured using Ni-filtered Cu K radiation (Miniflex,Rigaku).The average diameter of silica coated MW-CNTs was obtained using Scion image analyzer ®by measuring at least 100points from TEM microphotographs.3.Results and discussionFig.1shows the procedure starting from the hydroxyl groups functionalized MWCNTs treated by KMnO 4with the aid of a PTC for the synthesis of silica coated MWCNTs.Chemical ox-idation reaction with permanganate in the presence of phaseM.Kim et al./Journal of Colloid and Interface Science322(2008)321–326323Fig.2.TEM microphotographs of silica coated MWCNTs related to amount of reactants,TEOS(dissolved in5ml EtOH)and ammonia solution(dissolved in5ml EtOH);(a–c,scale bar=50nm;d–f,scale bar=100nm).Refer to Table1for recipes.transfer catalysts can be carried out in very mild conditions to modify CNTs or fullerene and the reaction takes place at room temperature.Furthermore,it offers a high concentration of surface acid groups and high yield of hydroxyl group[17]. It is noted that the modification reaction is carried out in mild conditions so that the damage of MWCNTs can be minimized. During the surface modification reaction in the presence of a PTC,the color of KMnO4changed from dark purple to dark brown.This fact implies the transformation of Mn7+to Mn4+. The surface hydroxyl groups developed by permanganate to-gether with a phase transfer catalyst,TPABr,are subsequently reacted with AEAPS to give amine groups terminated MWC-NTs.The opulent basic amine groups on modified MWCNTs can activate acidic precursor TEOS by acid–base interaction with an assist from a basic catalyst ammonium hydroxide.Due to the strong chemical attraction in the silica synthesis process, MWCNTs are evenly coated with silica and the thickness of sil-ica shell can be readily controlled by adjusting the amounts of reagents.Fig.2shows TEM microphotographs of silica coated MW-CNTs where the amount of reactants is varied.The weight ratio of NH4OH to TEOS isfixed at3.75whereas the weight ratio of TEOS to modified MWCNTs is increased from0.48 to9.60.In Fig.2a,silica is hardly coated on the surface of MWCNTs,and uniform coating by the silica layer is obtained above4.80weight ratio of[TEOS]/[MWCNTs].For the inter-mediate weight ratios of[TEOS]/[MWCNTs]between1.20and 4.80,incomplete coating is resulted,remaining the bare MW-CNT surface.It is noted that dangling silica particles are not produced at any experimental conditions,indicating that sil-ica instantly coats MWCNTs upon the generation due to strong interaction between basic amine groups on MWCNTs.The av-erage diameter of silica coated MWCNTs increases with the amount of reactants,TEOS.The increase in the average di-ameter of MWCNTs is summarized in Table1.The average Table1The variation of silica coated MWCNT’average diameter prepared with an increasing amount of TEOS with afixed weight ratio of[NH4OH]/[TEOS]= 3.75Exp.No.MWCNT(g)TEOS(g)TEOS/MWCNTNH4OH(g)Average diameter(nm)(a)0.050.0240.480.09019.5(b)0.050.06 1.200.22517.8(c)0.050.12 2.400.45026.1(d)0.050.24 4.800.90039.5(e)0.050.367.20 1.35048.9(f)0.050.489.60 1.80062.4diameter of pristine MWCNTs with11.8nm increased up to 62.4nm by uniform coating of silica shell.The variation of average diameter of silica coated MWC-NTs with respect to the amount of TEOS is plotted in Fig.3. From TEM images in Fig.2,the silica layer thickness can-not be measured because the boundary between MWCNTs and silica is clear.Therefore the layer thickness of the coated sil-ica was calculated after calcination of silica coated MWCNT hybrid composites.The diameter of silica coated MWCNTs lin-early increases with the amount of TEOS,suggesting that one can control the thickness of silica layer by changing the amount of TEOS.Figs.4and5respectively show TEM and SEM micropho-tographs of silica coated MWCNTs synthesized with an in-creasing amount of NH4OH at afixed concentration of TEOS, [TEOS]/[MWCNTs]=4.80.The variation of average diame-ter of silica coated MWCNTs related to amount of NH4OH is listed in Table2and the result is plotted in Fig.6.TEM mi-crographs of silica coated MWCNTs in Figs.4a and4b show that some parts of MWCNTs’surface are not sufficiently coated with silica.Above the weight ratio of[NH4OH]/[TEOS]=3.75 whole surfaces of MWCNTs are encapsulated by uniform silica324M.Kim et al./Journal of Colloid and Interface Science 322(2008)321–326layer shown in Figs.4c and 4d .In addition,the SEM micro-graphs of silica coated MWCNTs are represented in Fig.5.The difference in the increase of the diameter of the composites is evident when silica is sufficiently synthesized on the surface of modified MWCNTs.As the amount of NH 4OH increases,the average diameter of the hybrid nanotubes linearly increased up to [NH 4OH]/[TEOS]=3.75,then the diameter is not further increased with the amount of NH 4OH since TEOS is depleted at this concentration of NH 4OH (Fig.6).Thermogravimetry analysis (TGA)was performed for the quantitative analysis of functionalized MWCNTs andsilicaFig. 3.The variation of silica coated MWCNT’average diameter pre-pared with an increasing amount of TEOS with a fixed weight ratio of [NH 4OH]/[TEOS]=3.75.coated MWCNT composites.The weight loss curves of raw MWCNTs,hydroxylated MWCNTs (MWCNT-OH),silane-functionalized MWCNTs (MWCNT-AEAPS),and silica coated MWCNTs are presented in Fig.7.Because MWCNTs did not decompose under nitrogen atmosphere up to 1000◦C,we per-formed analyses under oxygen atmosphere.For raw MWCNTs,a constant weight is maintained up to 400◦C and slowly de-creases at 550◦plete decomposition occurs at around 650◦C whilst slight lower complete decomposition tempera-ture is observed for surface treated MWCNTs due to apossibleFig.4.TEM microphotographs of silica coated MWCNTs related to amount of NH 4OH.The silica layer was synthesized using 0.24g TEOS and various amounts of NH 4OH:(a)0.45,(b)0.675,(c)0.9,and (d)1.8g.(a,scale bar =50nm;b,scale bar =50nm;c,scale bar =200nm;d,scale bar =100nm.)Fig.5.SEM microphotographs of silica coated MWCNTs related to amount of NH 4OH (scale bar =500nm).The silica layer was synthesized using 0.24g TEOS and various amounts of NH 4OH:(a)0.45,(b)0.675,(c)0.9,and (d)1.8g.M.Kim et al./Journal of Colloid and Interface Science 322(2008)321–326325Table 2The variation of silica coated MWCNT’average diameter related to amount of NH 4OH at a fixed amount of TEOS Exp.No.TEOS (g)NH 4OH (g)Average diameter (nm)(a)0.240.4520.7(b)0.240.67530.7(c)0.240.940.5(d)0.241.843.6Fig.6.The variation of silica coated MWCNT’average diameter related to amount of NH 4OH at a fixed amount of TEOS.destruction of a perfect MWCNT structure during the chemical oxidation process.However,the degree of lowering decomposi-tion temperature is much lesser than the conventional oxidation processes using strong acids as reported elsewhere [19].For MWCNT-OH,the weight loss decreases for the decomposition of hydroxyl groups in 200–500◦C and finally MWCNTs de-composed at around 650◦C.For AEAPS grafted MWCNTs,the weight loss of silane coupling agent is about 10wt%and activation site unit in AEAPS on MWCNTs is about 1.5wt%.These are observed for the decomposition of grafted silane units in 280–420◦C.For silica coated MWCNTs,the main weight loss is obtained for the decomposition of MWCNTs in the silica coated MWCNT composite in the temperature range of 400–650◦C.The decreased weight loss is decomposi-tion of functionalized MWCNTs and the remaining material is silica from the composite.For the silica coated MWNTs prepared using 0.24g TEOS and 0.9g NH 4OH,the TGA thermogram indicates that silica is synthesized about 80wt%on MWCNTs.X-ray diffraction patterns are characterized to compare the structures of the synthesized hybrid composite in Fig.8.For the raw MWCNTs in Fig.8a,the peaks are observed at the angles 2theta =26.4◦,37.9◦,and 44.2◦.The angle 2theta at 26.4◦corresponds to the (002)reflection for the feature peak ofrawFig.7.TGA weight loss curves of (a)raw MWCNTs,(b)MWCNT-OH,(c)MWCNT-AEAPS,and (d)silica coated MWCNTs.Silica coated MWCNTs were prepared using 0.24g TEOS and 0.9g NH 4OH.Fig.8.XRD patterns of (a)raw MWCNTs and (b)silica coated MWCNTs.Silica coated MWCNTs were prepared using 0.24g TEOS and 0.9g NH 4OH.MWCNTs.The two sharp peaks at 37.9◦and 44.2◦are char-acteristic peaks of the used cell so that they are observed for all of the characterized samples.For silica coated MWCNT in Fig.8b,the feature peak of MWCNTs at 26.4◦disappeared be-cause the raw MWCNTs were perfectly coated with amorphous silica.This amorphous silica caused the hindrance of MWCNT’characteristic peak due to the interference of the X-ray.In addi-tion,the inset to Fig.4c is an electron diffraction image of silica coated MWCNT which indicates no crystallinity of the formed silica.Throughout the synthesis process and characterizations,we successfully obtained MWCNTs uniformly coated with con-326M.Kim et al./Journal of Colloid and Interface Science 322(2008)321–326Fig.9.TEM microphotographs of silica coated MWCNTs after calcination.(a,scale bar =100nm;b,scale bar =200nm.)trollable silica shell layer.Since silica is synthesized from TEOS,the silica layer possesses a sturdy 3-dimensional intra-structure.Fig.9shows the TEM morphology of calcinated hybrid composite nanotubes.The silica coated MWCNTs were calcinated at 800◦C for two hours.The inner MWC-NTs of the composite were completely decomposed and the outer silica shell layer of the composite maintained with-out distortion of its original shape.Finally,we could obtain the silica nanotubes having 13.0nm of average layer thick-ness.4.SummarySilica nanotubes are synthesized using MWCNTs as the template material.In order to minimize the destruction of MW-CNTs during a chemical oxidation process,MWCNTs are oxi-dized using KMnO 4in the presence of a phase transfer catalyst,TPABr at room temperature under a nearly neutral condition.The hydroxyl functionalized MWCNTs further reacted with a silane coupling agent bearing amine groups,AEAPS.Ap-proximately 10wt%of AEAPS is grafted on MWCNTs and the basic characteristics of the AEAPS aggrandizes the for-mation of acidic silica on the surface of MWCNTs due to strong acid–base interaction.The uniformly silica coated MW-CNTs are synthesized and the thickness of silica shell can be readily controlled by the amount of reactants,TEOS and NH 4OH.The synthesized silica has an amorphous structure and sturdy 3-dimensional intra-structure.After calcinations at 800◦C,the inner MWCNTs of the composite were completely decomposed and the outer silica shell layer maintained with-out distortion of its original shape.Finally,we could obtain the hollow silica nanotubes having 13.0nm of average layer thick-ness.AcknowledgmentThis work was supported by Korea Research Foundation (Grant No.D00118).References[1]S.Ijima,Nature 354(1991)56.[2]X.Gong,J.Liu,S.Baskran,R.D.V oise,J.S.Young,Chem.Mater.12(2000)1049.[3]P.Calvert,Nature 399(1999)210.[4]M.S.P.Shaffer,A.H.Windle,Adv.Mater.11(1999)937.[5]H.Xia,Q.Wang,G.Qiu,Chem.Mater.15(2003)3879.[6]Y .Liu,J.Tang,X.Chen,R.Wang,G.K.H.Pang,Y .Zang,J.H.Xin,Car-bon 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