[发明专利]用于大表面积接触应用的高度可及纳米管电极

说明书

技术领域

本发明涉及高度多孔纳米管膜，形成这样的膜的方法，以及这样的膜的应用。 

背景技术

在要求电接触的大部分器件和应用中，在电极和被接触材料之间基本上平面(2D)的界面处发生要求的接触。在长尺度上呈平面通常在短尺度上有一些褶皱。不过该褶皱通常是材料的自然结果，而不是专门设计到界面中的特征。然而多种应用可以从3维分布的电接触中受益。 

可以受益于3维分布接触的应用的示例包括用于电化学反应的电极，诸如用于从水中产生氢，以及在氢燃料电池的阳极产生质子。在这样的应用中，增加表面积的电极提供增加的电化学生成产物。对于超级电容，增加的电极表面积显著增加器件电容。必须在具有内生电势的半导体结区域内吸收光以将光致电子向阴极驱动的其他应用(诸如太阳能电池或光电探测器)可以相似地从3维分布电极提供的扩展的有效面积体积中受益。对于电致发光器件应用，电接触活性材料的表面积的增加能够提供增加的电流注入，伴随光产生的增加。 

近来，已经出现导电的单壁碳纳米管(SWNT)膜作为用于宽广范围应用的极具前景的电极。可通过各种方法制造这样的膜，包括已公开的美国申请No.20040197546(下文中称为’546申请)中描述的方法，其发明人组中包含本申请的发明人之一。’546申请的全部内容通过援引的方式纳入本申请中。简单地说，’546申请中描述的方法包括在具有极小的孔隙以至于SWNT不能通过的过滤基膜(membrane)表面上过滤SWNT的表面活 性剂悬浮液。纳米管在所述基膜表面上累积形成膜。接下来的冲洗将残余的表面活性剂去除，而烘干使得纳米管膜加固。将膜转移到选择的衬底要求选择适当的基膜介质以允许将其分解在转移的衬底能够耐受的溶剂中。通常通过将有基膜后衬的纳米管膜粘合到衬底上，然后使基膜在选择的溶剂中分解来进行上述转移过程。 

这样制成的SWNT膜具有曲折的通路和开孔率，其中纳米管之间的孔隙由重叠交叉的纳米管束限定。纳米管趋向于自组织成束，每一个束具有不同数目的纳米管，宽度跨越几个到几百个平行纳米管，其直径约为3到20nm，典型直径为～10nm。图1示出典型的70nm厚膜表面(只是因为针尖-样品卷积(tip-sample convolution)，束的直径看来大于～10nm)的扫描原子力显微镜(AFM)图像。该开孔率有望提供具有期望的高表面积，并与另一材料3维分布电接触的结构。 

对图1的考察表明交叉纳米管束之间的空隙的跨越尺度为几十到几百纳米。然而，从这样的表面图像得出的孔隙体积的论断却令人误解。在’546申请所公开的膜形成过程中，将纳米管束均匀分散在稀释的水悬浮液中。粘落在平坦过滤基膜表面上的第一束被迫处于与表面基本平行的状态。由于膜以均匀速率生长(纳米管束交叉在之前沉积的束上)，接下来沉积的束采取相同的平面取向。结果是产生这样的膜形态，其中纳米管具有随机平面取向，但是位于层叠平面中，具有与双轴取向的聚合物膜相似的二维各向异性。这表明，沿着垂直于过滤基膜表面的方向(膜厚度方向)束之间的孔隙的平均尺度仅仅为几个纳米管束直径的尺度。然而这样的分析假定纳米管束为刚性杆。 

纳米管的柔韧性以及根据范德华接触的表面能最小化使得它们将其接触最大化，由此作用为进一步减小这些孔隙体积。通过将纳米管的六方密排的理论密度(使用典型1.356nm直径(10，10)纳米管)与试验推导的过滤方法形成的SWNT膜的密度进行比较给出可用的孔隙度的定量测量。前者约为1.33g/cm³，而后者已被测量为约0.71g/cm³。因此’546申请中描述的如此产生的过滤方法产生达到其理论最大密度近53％的SWNT膜。 由于这样的孔隙度在整个膜中一般均匀分布，因此平均孔隙体积一般为平均束体积的尺寸甚至更小。 

用电活性介质渗入使用’546申请中公开的方法产生的膜的孔并使用纳米管作为电极是有用的。然而，这些孔隙的小尺寸限制了这样的结构在3维分布电极应用中的效用。与小孔隙尺寸相关的限制取决于具体应用，其中两个示例性限制如下所述： 

1.作为电化学电极，小孔隙产生很低的动力用以抗必须排出的反应产物的逆流将化学种(chemical species)渗透到膜体积中。这将会限制期望的种的产生速率。