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1、第33卷分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展第2期2005年2月ChineseJournalofAnalyticalChemistry261~266碳纳米管的功能化研究进展1,21,2*1肖素芳王宗花罗国安12(清华大学化学系,北京100084)(青岛大学化学系,青岛266071)摘要综述了碳纳米管功能化的一些最新研究进展,重点介绍了一些功能化方法、功能化碳纳米管的性能表征及应用前景。文献49篇。关键词碳纳米管,功能化,评述1引言[1,2]碳纳米管(carbonnanotube,CNT)自问世以来,由于其独有的结构
2、和奇特的物理、化学特性,成为世界范围内的研究热点之一。其优良特性包括:各向异性、高的机械强度和弹性、优良的导热导电性等。随着CNT的合成技术和纯化方法的不断完善,人们开始把注意力转向应用研究,进行了很多探索。碳纳米管独特的分子结构使它具有显著的电子特性,是构建下一代电子器件和网络颇具吸引力的材料,[3,4][5,6][7][8]基于CNT的器件包括:单电子晶体管、分子二极管、存储元件和逻辑门等;CNT非凡的抗张[9]强度使其可用于制造CNT加强纤维和用作聚合物添加剂;在分析化学领域的应用包括制作各种特定[10~13]用途的
3、生物/化学传感器及纳米探针(例如,用作原子力显微镜探针尖,在体检测的生物探针等);高的比表面积和极强的吸附性可使碳纳米管作为储氢、储能材料等等。这一新型材料许多潜在的应用还有待于人们继续发掘。CNT是成千上万个处于芳香不定域系统中的碳原子组成的大分子,几乎不溶于任何溶剂,且在溶液中易聚集成束,妨碍了对其进行分子水平研究及操作应用,也难于将它纳入生物体系,大大限制了碳纳米管在各方面的应用。如:(1)更快更先进的应用是在电子线路的微型化方面。当硅线路的尺寸接近极限时,基于碳纳米管的分子电子特性,作为替代产品进行了研究。虽然开发
4、CNT在电子、机械器件方面的新性能引起了广泛关注,但CNT是极端疏水的,并形成不溶的集合体,很难组装成有用的结构。(2)针对CNT每个分子单元,在不影响它们的固有电子结构的情况下,将其连接到一起的设计战略,引起了广泛关注。有效的方法之一是将金属或半导体纳米簇结合到CNT上。由于CNT的化学惰性,连接纳米簇之前要首先对其表面进行活化和分散。(3)CNT用于制造加强纤维和用作聚合物添加剂时,有必要功能化CNT来增加新的性能,因为制备、处理或操作这种纳米工程组分或共聚物时,需要先分散和溶解CNT,但CNT在一般有机溶剂和水中是不
5、溶的。(4)单壁碳纳米管(single-wallcarbonnanotube,SWNT)有很多优良的物理性能,现今面临的挑战之一是怎样将SWNT与其它的化学实体结合,从而构建具有独特功能和应用的纳米结构。为了充分开发它们的潜能,必须克服固有的范德华力来实现高程度的分散,从而产生与其它组分兼容、易溶解的复合物。(5)CNT的许多潜在应用都需要了解它的光激发态的性能,但CNT在溶剂中的不溶性限制了对其的定量研究。功能化可提高CNT的溶解度、有助于纯化,并可引入新的性能,但由于离域的P电子系统,CNT是非常稳定的。因此,如何对其
6、进行修饰和功能化就成为CNT走向实用的一个关键性的问题。2功能化方法最初的共价功能化方法是基于CNT的酸氧化,使CNT末端及缺陷密度大的位点连上羧基,其它的方法还有氟化、氯化等,可增加CNT的水溶性。进一步功能化,接上长的脂肪链,即可溶于有机溶剂。[14][15][16][17]进一步功能化的方法有:氯仿的亲电加成、脂化、蛋白质及核酸功能化、芳基重氮盐的电化2003-09-09收稿;2003-12-12接受本文系国家自然科学基金资助项目(No.20075015)262分析化学第33卷[18][19]学还原和芳胺的电化学氧化
7、、卡宾(二氯卡宾)功能化等。但这类功能化方法是直接与CNT的石2墨晶格结构作用,可破坏CNT功能化位点的sp结构,从而部分破化了CNT的电子特性。为了减少或[20~22]避免这种破坏,又发现了一系列非共价功能化方法:(1)超分子功能化,如:聚合物功能化、淀粉功[23,24][25~27]能化、环糊精功能化等,提高了碳纳米管的水溶性和生物兼容性;(2)生物分子功能化,如:[28][29][30]DNA、金属蛋白、酶、肽螺旋等生物分子的非共价修饰。另外,在功能化CNT的材料上,人们又[31~34]尝试了把金属或半导体性质的纳米
8、簇连接到CNT上的异质连接。2.1共价功能化CNT的端头及弯折处易被氧化断裂,并转化为羧基,从而可与其它的化学试剂发生反应。共价功[35,36][37~39]能化按功能化的部位可分为端口功能化和侧壁功能化。一般采用的手段是用浓酸氧化开[40]口,截成短管,使末端或(和)侧壁的缺陷位点带上羧基,然后再进行
