[发明专利]一种金属性和半导体性单壁碳纳米管的分离方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属性和半导体性单壁碳纳米管的分离方法，特别是涉及从单壁碳纳米管中分离出得清晰可辨、结构单一且电学性质稳定的单壁碳纳米管的方法。

背景技术

1991年lijima发现碳纳米管是继C₆₀发现以来碳化学领域的又一世人瞩目的重大发现。碳纳米管（carbon nanotubes 简称CNTs）可看成是六元环组成的石墨烯片层卷曲而成的无缝、中空管，这种独特的结构特征使其具有特殊的电学性质和超强的力学性能，在电子器件、复合材料、储氢材料、化学和生物传感器等方面显示出良好的应用前景。

然而这些研究和应用面临一个巨大挑战就是CNTs的分离。因为现有的制备技术得到的都是结构和性能多分散的CNTs，各种结构和性能的CNTs混合体大大地限制了其在分子电子学和光电学等领域的进一步研究及应用。

单壁碳纳米管（single wall carbon nanotubes 简称SWNTS）是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁碳纳米管的电学性质由它的直径和手性角决定。对于半导体单壁碳纳米管而言，能带的变化随着直径的改变相反。而对于金属性和半导体纳米管而言，主要发生的光学跃迁随着直径和手性振动而改变。单壁碳纳米管通常在生长过程中同时生成不同长度的金属性和半导体性单壁碳纳米管。单壁碳纳米管属性的不同会造成电学特性的不稳定和低效率的场迁移率，进而导致高精确电子器件的产率降低。而长度的不同，会造成不同的生物毒理性能。

所以，为了实现基于单壁碳纳米管电学特性的应用和生物毒理性能的准确防护，最为关键的任务是获得长度和属性准确可控的单壁碳纳米管。虽然现有技术在这方面已经获得了一些突破，表明在能生长相对窄的手性分布单壁碳纳米管式可行的。然而这些研究和应用面临一个巨大挑战就是CNTs的分离。因为现有的制备技术得到的都是结构和性能多分布的CNTs，各种结构和性能的CNTs混合体大大地限制了其在分子电子学和光电学等领域的进一步研究及应用。

为了突破这个问题，采用了多种方法对生长的碳纳米管进行分离，比如，原子电导分离,选择性氧化分离，电子击穿，超速离心机分离和场流仪分离、色谱法分离。其中Tanaka（Takeshi Tanaka, Yasuko Urabe, Daisuke Nishide, Hiromichi Kataura1，Continuous Separation of Metallic and Semiconducting Carbon Nanotubes Using Agarose Gel，Applied Physics Express 2 (2009) 125002）采用琼脂糖凝胶在注射器中分离出金属和非金属的单壁碳纳米管与本发明方法原理最为相近。此方法在注射器中填充了3-5cm高的凝胶，手动加入流动相。这种方法只能对少量、低浓度碳纳米管进行简单分离。注射器不能封闭，流动相不能持续、不间断、匀速可控的加入。

另外。专利CN200610113211.1采用光刻方法在含二氧化硅的衬底上制备金电极，利用聚焦离子束在电极上刻出若干个间隙浸入到单壁碳纳米管的DMF溶液中，在2～8V、频率为1～10Hz的电场作用下，将金属性和半导体性单壁碳纳米管同步分离。

专利CN200710159924.6中，主要将碳纳米管经化学或生物方法改性分散在介质中，再采用吸附剂将特定改性的碳纳米管分离。

专利CN200910182678.5采用电泳、离心或冻结挤压的方法，分离用介质与金属性或半导体性碳纳米管的选择吸附性与富集作用形成半导体性碳纳米管和金属性碳纳米管富集区，实现金属性和半导体性碳纳米管的分离。

然而对于这些方法如果放大到工业生产的规模，在产率、纯度、成本上都或多或少存在一些问题。

发明内容

本专利采用凝胶色谱方法，直接分离未经改性的金属性和半导体性单壁碳纳米管分散体。优势是操作简单，成本低，分离样品分布范围窄，利于大规模分离。

本发明采用琼脂糖凝胶作色谱柱填料，选择不同孔径尺寸的琼脂糖凝胶来制备色谱柱。结果不仅成功分离出金属性和半导体性单壁碳纳米管，而且成功实现了按不同长度分布的单壁碳纳米管的分离。

本发明是这样实现的。

本发明金属性和半导体性单壁碳纳米管的分离方法，其特征在于：

所述的方法选择不同孔径的琼脂糖凝胶作色谱柱填料，采用不同的流动相、按单壁碳纳米管长度分布、实现金属性和半导体性单壁碳纳米管的分离。

在具体实施中，