[发明专利]碳纤维的催化蚀刻

说明书

本发明涉及用于蚀刻碳纤维特别是碳纳米纤维的方法，并且涉及通过该方法得到的碳纳米纤维及它们的用途。

背景技术

碳纤维例如碳纳米纤维在许多可能的应用上(例如传导性的且很坚固的复合材料、能量存储器和能量转换器、传感器、场致发射显示器和辐射源以及纳米级的半导体元件和圆规(Prüfspitze))是有前途的材料(Baughman，R.H.等人，Science 297：787-792(2002))。另一有前途的应用领域是使用碳纳米纤维作为催化剂或者作为多相催化剂载体(de Jong，K.P.和Geus，J.W.，Catal.Rev.-Sci.Eng.42：481-510(2000))或者作为用于催化合成的纳米级反应器(Nhut，J.M.等人，Appl.Catal.A.254：345-363(2003))的催化。对于上述应用，所述碳纳米纤维经常需要对表面进行化学或者物理改性。例如，在复合材料中，聚合物基质中的纳米纤维的完全分散和由此在纤维与基质之间产生的强相互作用是有利的(Calvert，P.，Nature 399：210-21(1999))。当用作催化剂载体时，外来原子必须沉积在该纳米纤维上。对于这一目的，需要锚固点例如官能团或者缺陷。为了实现这一目的，必须改性未经处理的(“生长出的状态的(as-grown)”)纳米纤维的惰性表面(Xia，W.等人，Chem.Mater.17：5737-5742(2005))。在纳米纤维上键合化学基团或者固定带有特异性识别中心的蛋白，对于在传感器领域中使用是必要的。这通常通过产生表面官能团或表面缺陷来实现(Dai，H.，Acc.Chem.Res.35：1035-5742(2002))。

受其有前途的可能应用的推动，最近10年已经对碳纳米纤维的表面改性和官能化进行了广泛研究。在所有这些方法中，最深入研究了共价表面官能化，其通常基于强氧化剂例如硝酸、氧等离子体、超临界流体、臭氧等等和例如随后的侧链增长(Banerjee，S.等人，Adv.Mater.17：17-29(2005))。这些氧化方法通常提高表面的氧含量，其中通过合适的参数选择也能实现明显的物理改性。这些物理变化的局限在于在未知的位置有不可预见结构的两维或三维表面缺陷。纳米纤维在极端条件(例如浓硫酸和硝酸混合物)下，分解成更小纤维性的单位(Liu，J.等人，Science 280：1253-1256(1998))。由于碳纳米纤维的小尺寸和表面曲面，其表面缺陷的识别仍然是一项挑战(Ishigami，M.等人，Phys.Rev.Lett.93：196803/4(2001))。这里扫描隧道显微镜术(STM)是很有效的工具(Osváth，Z.等人，Phys.Rev.B.72：045429/1-045429/6(2005))。Fan和合作者通过利用H₂Se的缺陷部位-敏感性氧化并借助于原子力显微技术(AFM)识别了化学表面缺陷(Fan，Y.等人，Adv.Mater.14：130-133(2002))。在Xia，W.等人，Chem.Mater.17：5737-5742(2005)中，碳纳米纤维的表面改变通过在负载铁的碳纳米纤维上沉积环己烷实施。然而，这些所谓的次级碳纳米纤维(树枝状的结构，由树干和树枝组成)不是官能化的和得到的表面改性不能被用来装载官能分子。

上述问题类似地适用于碳微纤维，例如从聚丙烯腈(PAN)生产和由纤维束组成的一直到毫米范围的碳纤维，其在现代高性能复合材料中作为连续纤维。

尽管对碳纤维例如碳纳米纤维的表面改性做了很多努力，现在不能借助于任何上述的方法将表面官能团或表面缺陷以目标方式引进。

发明简述

令人惊讶地，现已发现了一种局部蚀刻技术，借助于其可以在碳纤维(例如多壁碳纳米纤维(被称为多壁碳纳米管，以下简称为“MWNT”或者“纳米纤维”))预先确定的部位产生表面缺陷。在这种情况下蚀刻基于借助水蒸气进行的碳气化，其中存在于纳米纤维上的纳米级铁颗粒催化该气化。

蚀刻发生在界面和限于存在铁颗粒的碳纤维的地方。可以通过对于预处理参数(铁的装载、加热时间等等)的合适选择来容易地控制蚀刻。这样，有球状的蚀刻凹点的碳纤维可以利用便宜的原材料(水和铁)在对环境无害方法中合成。另外，该方法产生氢和一氧化碳，它们是合成气体的主要成分。该发明因此提供

(1)用于蚀刻碳纤维的方法，其包括

(a)通过氧化进行碳纤维表面的官能化，

(b)在官能化表面上沉积金属颗粒，

(c)通过用水蒸气处理蚀刻表面，