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单壁纳米碳管自从被发现以来就以其优异的物理和化学性能,以及广阔的应用前景吸引了广大研究人员的极大关注。单壁纳米碳管粗品中常含有金属催化剂,无定形碳等杂质,为了更好地进行单壁纳米碳管的性质测定和应用,单壁纳米碳管的纯化研究是十分必要的。到目前为止,一些物理和化学纯化法已被研究用于单壁纳米碳管的纯化。本文对化学纯化法和物理纯化法进行了较好的结合,获得了较好的纯化效果。本文主要研究了单壁纳米碳管的混酸纯化法、过氧化氢纯化法和重铬酸钾纯化法。
首先采用Ni-Mo/MgO催化剂,通过催化裂解法制备单壁纳米碳管粗品。然后将所制备得到的单壁纳米碳管粗品分别采用混酸纯化法、过氧化氢纯化法和重铬酸钾纯化法进行纯化研究。在混酸纯化法中,先用盐酸浸泡,去除大部分金属催化剂杂质。然后利用超声技术,将处理后的单壁纳米碳管充分分散在十二烷基苯磺酸钠和乙醇的混合溶液中,使杂质和单壁纳米碳管得到较好的分开,最后利用HNO3/H2SO4混酸把无定形碳等杂质除掉,从而达到纯化的目的。该纯化方法针对杂质的不同性质分别进行去除,采用在十二烷基苯磺酸钠表面活性剂的溶液中超声分散的方法使单壁纳米碳管和杂质得到较好的分离,为化学纯化提供了有利条件。混酸纯化法的最佳实验条件为盐酸浸泡样品24小时,硝酸和硫酸的体积比为5:1,反应时间为24 h。扫描电子显微镜,高分辨透射电子显微镜和拉曼光谱研究结果表明:单壁纳米碳管经过此法提纯后,管壁表面光滑清晰,附着的无定形碳很少,有高的质量。纯化后单壁纳米碳管的纯度可达95%以上。
在过氧化氢纯化法中,先将所制得的单壁纳米碳管粗品放入盐酸中浸泡,去除大部分金属催化剂杂质,然后利用超声技术,将处理后的单壁纳米碳管充分分散在十二烷基苯磺酸钠和乙醇的混合溶液中,使杂质和单壁纳米碳管得到较好的分开。最后利用采用氧化剂过氧化氢把碳杂质除掉。扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜研究结果表明:单壁纳米碳管经过此法提纯后,管壁表面光滑清晰,附着的无定形碳很少,同时管壁受到的破坏很小。热重分析表明:提纯后,单壁纳米碳管的纯度大大提高,纯度可达93%以上。最佳实验条件为H2O2的浓度为0.1mol/L,反应时间为1h,反应温度为20℃。
在重铬酸钾纯化法中,实验条件为K2Cr2O7溶液的浓度为0.05mol/L,加入2mL硫酸后在30℃反应0.5h。扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和热重研究结果表明:经过此法提纯后的单壁纳米碳管,管壁表面附着的无定形碳较少,但管壁受到一定程度的损坏。