着单壁球长大的碳纳米管(纳米):最新进展和应用程序

碳纳米管材料,有非凡的属性是有用的在各种各欧洲杯足球竞彩样的新的,先进的应用传感器,印刷电子、电子阅读器、灵活的显示,储能医疗等等。自1991年发现Ijima¹活动,并影响了大量的研究和行业在世界各地。

此外,他们在制造方法,激发了可观的投资,表征和应用程序开发。本文描述了物理化学性质和表征着单壁球长大的碳纳米管(纳米)和商业化的状态。多层碳纳米管(MWNTs)列出自己的优点通过MWNT聚光灯下。

碳纳米管的结构

富勒烯、纳米管等sp的同素异形体²杂化碳。结构可以被看作是一个圆柱形管组成的六元碳环,石墨。圆柱管可以有一个或两头封顶的富勒烯结构或半球巴基球。

理解碳纳米结构与纳米管手性的理论需要一个熟人,由于碳纳米管的手性命令它的许多属性。手性映射,如图1所示,设计作为一个理解手性及其影响的工具。

图1所示。图形显示一个手性地图显示了不同类型的纳米管形成。属性是由它们的方式卷如插图所示。将碳纳米金属在扶手椅上配置,或者当m n是3的倍数。图片来源:默克密理博σ

可以可视化为碳纳米的石墨烯(一个原子厚)卷成管如图1所示。概述了直径和手性取向的床单滚。手性识别地图上的每个碳纳米的两个整数,(n, m)。碳纳米管手性指定的几个个体的属性。碳纳米管为例,说明在蓝色自然金属手性映射。这是管n = m(椅)或n - m = 3,(我是任何整数)。这些表示为黄色的半导体,显示不同带隙根据手性向量的长度。

碳纳米管的独特性能

机械:单个纳米大大强于钢。值计算出碳纳米管的抗拉强度比钢~ 100倍的重量。最大的测量值是大约一半的理论强度预期,可能是由于缺陷结构的区别。⁴

电:单个纳米管的电流承载能力是10⁹amp.cm²;多金或铜,⁵和半导体物种证明电子迁移率大于硅。

光学:每个手性表现出自己的特征吸收和荧光光谱,并有一个清晰的光学吸收和荧光反应。

热:室温下单个纳米管的热导率可能与钻石或平面石墨,通常认为显示任何已知的最大测量导热材料在中等温度下。

挑战并

纳米管的广泛应用已经有点受技术壁垒限制领域的纯洁,选择性和可分散性。然而,最近的进步解决这些挑战。

纯度:碳纳米管制造工艺中使用的多样性生产导致产品污染与残留催化剂不同程度和其他形式的碳。几个应用程序,需要额外的净化过程来消除这些污染物生成一个适当的纯度的产物。最近,商业的方法合成,减少杂质的合成已经为世人所知。

选择性:正如前面突出显示,纳米管的组合不同的手性,其中一些是半导体和一些导电。preferrable对于很多应用程序是独立的每种类型的管,半导体和金属等对于某些应用程序,管与独特的个人手性。

实验室规模的方法来实现一个非常高度的选择性报道,²和开发可扩展的分离过程被证明是富有成效的。生产过程如CoMoCAT^®催化化学汽相淀积过程已经证明的能力提供了一个良好的程度的选择性对某些手性纳米合成,使二次净化的生产流程相当大的甚至是不必要的。

可分散性:很难分散纳米管,部分原因是他们倾向于形成绳索或包由于管之间的范德华吸引力。然而,使用水解决方案借助合适的表面活性剂可以驱散并压缩包或个人管,或在低浓度与合适的功能化。

剥落的包可以通过声波降解法完成水解决方案并与表面活性分子的外观如DNA,钠脱氧胆酸盐和钠胆盐(产品号270911)。测量纳米管剥离的程度在一个给定的色散,谭和Resasco共振比的概念,建立光学吸收谱。³共振带的面积除以非共振的区域背景这一比率可以简化的比较结果绝对独立的吸收。分散剂可以使用这个参数排名的好处。

纳米管的分散树脂和热塑性塑料是抑制急剧建立粘度造成的纳米包的纠缠。不同的专有技术的存在是为了避免这个问题,新混合形式的纳米管的发展来解决这个问题。

纳米管的合成

一些技术已经用于纳米管的生产。这些包括碳弧、激光消融和CVD过程,HIPCO迫使一个气态的催化剂^®过程或利用支持催化剂CoMoCAT^®的过程。碳弧过程产生长管直径在1.4到2.0纳米的范围内,但碳弧材料大量的杂质,对于大多数应用程序广泛净化是必要的。激光烧蚀过程主要用于研究材料。欧洲杯足球竞彩

CVD过程提供了最好的方法来制造更大的纳米管数量,与最可伸缩CoMoCAT^®利用流化床反应器的过程类似于那些用于石油炼制,虽然暂时的规模要小的多。支持的催化剂方法还提供了不同的能力提供相当程度的在合成手性控制。

描述并和质量保证的参数

正如已经讨论的,碳纳米管的性质的不同手性的纳米管。目前,手性的混合纳米管都是捏造的,材料的属性依赖手性存在的比例。众多分析方法已被用来确认单壁碳纳米管的结构材料。欧洲杯足球竞彩这些范围从观测技术如AFM、SEM、STM和TEM等光谱技术,光致发光(PL)、拉曼和UV-Vis-NIR。

除了这些方法,x射线衍射等人已经利用Miyata确定手性作业在纳米管的光谱。⁸热重分析(TGA)已经使用随意确定氧化的发生,最大的氧化速率和催化剂保留在产品的质量。在某些情况下,可以获得一个合理的近似的纯度TGA曲线。

TEM和SEM主要用于评估碳纯度。然而,这些不能依赖任何纯洁的定量估计。一般来说,TEM和SEM图像使用~ 1 pg的材料在1到4μm的一个领域²因此将需求分析任意多个显微图成像在宏观样本获取整体纯度的任何有意义的结果。

没有算法适合客观地确定各物种的相对比例的标准unpurified碳纳米材料。因此,TEM和SEM可以提供令人满意的产品的结构信息,必须采取谨慎使用这些系统,考虑他们行动只有纯洁的定性指标。

有三个相对简单的方法,往往可以一起使用,以确保一致的生成高质量的纳米管。拉曼光谱可以作为一个粗略的纯度指纹质量保证的目的。TGA提供了一个衡量吃剩的催化剂,将在稍后讨论,纳米管的合理措施内容。为了确保一致的手性控制光学吸收的测量可以使用UV-Vis-NIR地区。

拉曼光谱

拉曼光谱的分析已广泛用于识别手性的完整的结合在纳米材料和评估纯洁。有三个方面的重要对纳米管的拉曼光谱。径向呼吸模式(元)大约120到300厘米¹独特的纳米管,可以用来识别管直径使用方程:

d是碳纳米管的直径在纳米和ν是波数厘米吗¹

是至关重要的,获得一个准确和完整的手性,必须使用多个各种励磁频率的激光。Jorio,等人映射SWeNT的手性结构^®SG65(产品编号704148)使用激光来激发并连续变量。⁹

有两个补充乐队中观察到纳米管的拉曼光谱:D乐队~ 1350厘米¹表明多层管,无序碳和石墨微晶和G带1500 - 1586厘米¹是切向拉伸模式的结果从graphitic-like材料。欧洲杯足球竞彩测量纳米管的纯度,G带的高度比D的乐队得到了广泛的应用。

然而,必须关心和注意在测量这一比率由于G带是一个共振频带,因此更强大的比D乐队。我们建议假设高G: D比率是高纯纳米的前提条件,但它是一个保证纯度不足以来其他技术必须与该参数同步使用。例如,其他形式的石墨碳可能提供一个强有力的G带。

图2。拉面的SWeNT^®碳纳米管SG65i(产品号773735)。图片来源:默克密理博σ

拉曼G: D比率,与上面列出的警告可以用作第一个纯度测量。一个典型的拉曼光谱SWeNT^®SG65i(产品号773735)如图2所示。

光学吸收

光学吸收(OA)测量UV-Vis-NIR地区说明单(n,米)的峰值特征物种π-plasmon背景上叠加。例如,(5)物种吸收566在983 nm和976 nm和响应发出荧光。^{6 - 7}(7、6)吸收在645和1024海里,遇反应在1030海里。因此,作为评估基础的纯度纳米,这些个体山峰已经使用。¹⁰

Nair等人已经开发出一种技术来计算光谱的基线,然后计算峰值高度和地区对个人(n,米)的物种。¹¹为简单起见,背景变成了线性单壁碳纳米管在感兴趣的领域特征是典型的变换测量OA频谱能量域。

图3展示标准OA SWeNT频谱^®SG65i材料。插图强调传统形式的光谱与吸收波长的函数。测量最强峰的高度(P2B)和集成的整体信号(开通)可以用来保证产品的一致性。主要用途为SWeNT P2B作为控制参数^®SG65i(产品号。773735)和SG76(704121)纳米管在一个特定的管式占主导地位。P2B被描述为最高峰值频谱的峰值350至1350纳米波长除以背景。

P2B =(6 5)或高度(7,6)信号的峰值
背景峰的高度

图3。在该地区的光学吸收谱UV-Vis-NIR SWeNT^®SG65i(产品号773735)。图片来源:默克密理博σ

注意,这里详细OA技术利用OA光谱测量在离心法和分散纳米管样品。它被用作衡量手性的控制而不是总纯度。在特定波长的吸光度测量之前和之后离心分离提供了一个测量的可分散性纳米管。

热重分析(TGA)

一个标准TGA曲线SG65i纳米管如图4所示。利用TGA评估材料的纯度。TGA分析的主要质量参数确定剩余质量在625°C。这是一个衡量残余催化剂金属(现在氧化)材料。

随后在导数曲线峰值被认为存在其他形式的石墨碳氧化碳纳米管在较高的温度下。与碳纳米管催化剂制造和合成的进步,其他形式的碳被限制在低水平,他们通过TGA无法衡量。剩余质量是显示比例正常化的减肥200°C。

剩余的质量=体重在625°C
最初的减肥

图4。热重分析SWeNT^®SG65i(产品号773735)。图片来源:默克密理博σ

结合这三种方法生产的一个很好的衡量纯度和一致性对于纳米管。然而,碳纳米管的不断开发应用,功能测试,如电导率测量,将需要纯度数据链接到纳米管的性能。

纳米管的应用

广泛的研究是由于许多独特的特性并进一步发展其使用范围广泛的应用程序。¹¹他们大的表面积和高导电性质被用来准备导电聚合物复合材料和电影,增强锂离子电池和超级电容器。光学性质使其在太阳能电池用电极,显示器和开创性的固态照明技术。一些纳米物种的半导体性质允许他们适应非易失性内存元素、逻辑器件、传感器和安全标签。

大多数问制造技术生成一个高度poly-disperse产品——各种直径和手性,影响光学、电和化学性质。许多纳米合成技术产生大量额外的形式的金属、金属氧化物和碳,在大多数情况下需要使用昂贵的二次加工方法去除。Post-synthesis手性分离方法不经济和低收益,从金属半导体材料通常含有约66%的物种和33%的物种。欧洲杯足球竞彩更大的生产成本和减少造成上述扼杀市场的接受能力。

然而,突然由西南发展纳米技术(SWeNT^®)解决这些问题一定程度上成功的将一个新产品的出现被称为SG65i(产品号773735)。代表一个改善SG65(产品号704148),NIST的材料被认为是原始材料(国家标准与技术研究院)标准的参考资料。直到最近,SG65被认为是最chirality-selective可用材料的合成。欧洲杯足球竞彩两种材料的对比见表1欧洲杯足球竞彩

表1。比较SWeNT^®SG65i SG65。来源:默克密理博σ

参数	SG65 (产品号704148)	SG65i (产品号773735)
(5)内容(%纳米管)	< 40	> 40
半导体管内容(%)	90 - 91	≥95
剩余的质量(%)	7.6	< 5
平均直径(nm)	0.8	0.78
拉面Q =(一维/ G)	> 0.95	≥0.97
相对纯度(T1%)	79年	≥93

使用专利C欧洲杯足球竞彩oMoCAT两种材料生产^®合成过程中,著名的更有选择性的手性和直径,而不是其他的方法。相当大的改进的催化剂体系SG65i导致额外的选择性提高。这些强化属性允许印刷半导体器件的快速发展,特别是薄膜晶体管(日前)。

日前需求高浓度的半导体碳纳米完成必要的开/关率和流动性的降低成本普遍接受的OLED电视,例如。SG65i将使高产所需的99% +半导体材料,而替代纳米,商用通常只有半导体物种的“天然”的比例,67%。但从较低的初始浓度半导体种类和分布广泛的直径和手性,这种材料可以抑制的产生成本为商业应用程序。欧洲杯足球竞彩在半导体纳米浓度≥95%,净化所需水平的任务是更大的简化。

这种高度的灵活性和拉伸性和内在性能碳纳米涂料也将允许打印,灵活的半导体灵活的电子产品,各种各样的应用程序长但尚未商业现实。

另一个鼓舞人心的应用领域对纳米管和专门为SWeNT^®在医学领域,最明显的是癌症的治疗。许多研究项目正在进行中,似乎是有前途的,根据高浓度的管(6,5)手性,或其他小直径的物种。这些项目受益的独特光学性质管这手性——与光辐照时的近红外(NIR)地区这些碳纳米红外发出荧光,导致热量的能力内部组织的位置由碳纳米管的辐照放在恶性癌症组织的区域。在这个例子中,高浓度的碳纳米管(6,5)SG65i预计将呈现材料的制备更实用。欧洲杯足球竞彩

碳纳米管的采用替代ITO导电聚合物如PEDOT: PSS(产品号。768642年和739316年)成为明显的透明导电薄膜用于(tcf)。众多tcf应用光电性能超过今天的SWNT-based涂料的范围,但各种各样的应用程序“窗口”内的纳米管的能力。在这些情况下,一个限制因素是客户对产品的可用性是适当的一致,以及一个可伸缩的制造技术来帮助新兴应用程序和产品提供了优良的光电性能。

为了满足这些需求,SWeNT^®产生了最导电年级CG300(产品号775533),由CoMoCAT吗^®公认的可伸缩性和它产生的一致的产品,定制的特色,使其特别适合于包括所需的油墨印刷和涂层。

结论

目前,商业的开发碳纳米技术是有限的,尽管早期的热情关于纳米材料和特殊的研究启发了他们的发现。欧洲杯足球竞彩然而,钟摆摆动,感动在多个关键领域最近取得相当大的进展。因此,预计急剧扩张的应用程序将被视为正在克服的障碍。

下面列出的是CoMoCAT^®西南地区生产的高纯度纳米纳米技术(SWeNT^®),公司和专门研究数量从默克公司。

商标

SWeNT^®和CoMoCAT^®西南纳米技术公司的注册商标。

引用和进一步阅读

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这些信息已经采购,审核并改编自默克公司提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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