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funktionelle Modifikation an Kohlenstoffnanoröhren (Cnts) -Oberflächen

  • March 18,2019.
Kohlenstoff-Nanoröhrensind eindimensionale nano-röhrenförmige Materialien aus einschichtigem und mehrschichtigem Graphenplättchen. Sie verfügen über gute Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, gute chemische Stabilität, ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und elektromagnetische Abschirmung. Sie gelten daher als ideale Füllstoffe für Hochleistungsverbundstoffe. An ihrer Oberfläche fehlen jedoch aktive Gruppen, was zu einer schlechten Dispergierbarkeit und schwierigen Verarbeitung führt, was ihre praktische Anwendung einschränkt. Daher verbesserten die Forscher ihre Löslichkeit und Dispergierbarkeit durch Oberflächenmodifizierung. Gleichzeitig werden die multifunktionalen funktionellen Materialien hergestellt, indem die gewünschten funktionellen Gruppen chemisch oder physikalisch mit der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren verbunden werden. Derzeit ist die Oberflächenmodifizierung der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren ein heißes Forschungsfeld.

Oberflächenmodifizierung an Kohlenstoffnanoröhren

Die funktionale Modifizierung der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhrchen wird hauptsächlich in organische Modifizierung, mechanische Modifikation und anorganische Beschichtung unterteilt.

1. organische Modifikation
Die organische Modifizierung und Modifikation von Kohlenstoffnanoröhrchen umfasst hauptsächlich kovalente Modifikation und nicht-kovalente Modifikation.

(1) Oberflächenkovalente Modifikation von Kohlenstoffnanoröhren

Die oberflächenkovalente Modifikation von Kohlenstoffnanoröhrchen besteht darin, neue kovalente Bindungen an der Rohrwand mit chemischer Reaktion einzuführen, um die Leistung von cnts zu optimieren. Die Hauptreaktionen umfassen Oxidationsreaktionen, Radikaladditionen, elektrochemische Reaktionen und thermochemische Reaktionen usw. Die Oxidationsreaktion besteht darin, eine Carboxyl- oder Hydroxylgruppe mit relativ hoher Polarität mittels eines chemischen Verfahrens einzuführen, wodurch eine aktive Gruppe auf der Oberfläche der Cnts verursacht wird, und dann verschiedene funktionelle Gruppen mit einer kovalenten Vernetzungsreaktion einzuführen.

eine shainghai-Forschungsgruppe verwendete gemischte Säure (h2so4: hno3 = 1: 3) und starkes Alkali (naoh) zur Behandlung von mwcnts; haben eine höhere Wasserlöslichkeit.

Nach der Säurebehandlung hat das Infrarotspektrum einen Absorptionspeak bei 1600 bis 1700 cm & supmin; ¹, was die Einführung der c = o-Gruppe anzeigt. Bei 1260 cm & supmin; ¹ wurde ein schwacher Absorptionspeak beobachtet, der hauptsächlich durch die Streckschwingung der c-o-Gruppe in der Carboxylgruppe verursacht wurde. bei 3300 bis 3500 cm & supmin; ¹ wurde ein Absorptionspeak einer freien Hydroxylgruppe (-oh) gefunden.

(2) nichtkovalente Modifikation von cnts

Nichtkovalente Modifikation von Kohlenstoffnanoröhren bedeutet, dass keine kovalenten chemischen Bindungen an der Oberfläche eingeführt werden, sondern durch nichtkovalente Bindungen. Dazu gehören physikalische Adsorption und Oberflächenbeschichtung. Nicht-kovalente Wechselwirkungen umfassen Dispersionskraft, Wasserstoffbindung, Dipol-Dipol-Kraft, π-π-Stapelung und hydrophobe Wechselwirkung. Die Kohlenstoffatome in cnts sind alle sp2-hybridisiert, um hoch delokalisierte π-Elektronen zu bilden, die mit anderen π-elektronenreichen Verbindungen durch π-π-Stapelung modifiziert werden können.

Nichtkovalente Modifikationen können nicht nur Polymer auf die CNS-Oberfläche einführen, sondern auch Tenside, um die Oberflächenaktivität zu verändern. Die Tenside umfassen zwei Teile, jeweils ein oleophiles Ende und ein hydrophiles Ende.

Der Vorteil der nichtkovalenten Modifikation ist, dass die erhaltenen cnts strukturell intakt sind und ihre ursprünglichen Eigenschaften behalten.

2. mechanische Modifikation
Mechanische Modifikation bezieht sich auf die Verwendung einer äußeren Kraft zur Oberflächenmodifizierung von Zementen, um deren Leistung zu optimieren. Mechanische Modifizierungsverfahren umfassen Schleifen, Reibung, Vibration usw. Das obige physikalische Verfahren kann die innere Energie der Kohlenstoffnanoröhren erhöhen und mit bestimmten Substanzen unter bestimmten äußeren Bedingungen reagieren, wodurch eine Oberflächenmodifizierung erreicht wird.

Die Vorteile der mechanischen Modifikation: einfach, schnell und kostengünstig.
Nachteile: Es ist schwierig, während des Mahlvorgangs zu kontrollieren, und die Bildung von Gitterfehlern kann leicht dazu führen, dass die Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen zu kurz ist, wodurch ihre ursprünglichen Eigenschaften verloren gehen.

3. anorganische Beschichtung
Die anorganischen Beschichtungsmethoden von Cnts umfassen hauptsächlich In-situ-Flüssigphasensynthese und Dampfphasenabscheidungsverfahren.

(1) In-situ-Flüssigphasensynthese

In-situ-Flüssigphasensynthese bezieht sich auf die Bildung neuer Substanzen in situ auf der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren unter Flüssigphasenbedingungen. Diese Substanzen sind hauptsächlich Nichteisenmetalloxide. Durch die Verwendung der anorganischen Beschichtung auf der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhrchen können einerseits die Metalloxid- und die Kohlenstoffnanoröhrchen hervorragende Eigenschaften aufweisen, und andererseits kann die Energie der Oberfläche der Cnts signifikant reduziert werden, wodurch die Oberfläche verringert wird Grad der Aggregation. Die Kristallisationsmethode wird in Calcinierungskristallisations- und hydrothermale Kristallisationsmethode klassifiziert.

das Calcinierungskristallisationsverfahren bedeutet, dass der Metalloxidvorläufer in einer wässrigen Lösung in ein entsprechendes Sol umgewandelt wird, an der Oberfläche von Cnts adsorbiert und in einer inerten Umgebung calciniert wird und die Calcinierungstemperatur die Phasenübergangstemperatur des Metalloxids übersteigen sollte. Der Vorteil dieser Methode ist, dass der Prozess relativ einfach ist.

Die hydrothermale Kristallisationsmethode ist eine relativ verbreitete Methode bei der Erforschung anorganischer Beschichtungen. Der Vorteil ist, dass die Größe der erhaltenen Materialien klein und einheitlich ist. Der Nachteil ist, dass der Herstellungsprozess kompliziert ist.

(2) Dampfabscheidungsverfahren

Aufdampfen bezieht sich auf die Einführung von zwei oder mehr gasförmigen Rohstoffen in einen Reaktor, wodurch die Rohstoffe miteinander kollidieren und einer chemischen Reaktion unterliegen, wodurch ein neues Material hergestellt und auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden wird.
Die Vorteile der Aufdampfung sind, dass die Reaktionsgeschwindigkeit schnell und gründlich ist und die Abscheidung gleichmäßig ist. Es wird häufig zur Herstellung von Core-Shell-Materialien verwendet. Die Forscher verwendeten vergiftetes Siliziumoxid, um mit Kohlenmonoxid zu β-Siliziumkarbid zu reagieren, und legten es dann gleichmäßig auf der CNS-Oberfläche ab. Die Beschichtung war gleichmäßig und vollständig.

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