[发明专利]一种电化学性能稳定的碳纳米管超薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管薄膜制造技术领域，具体是一种电化学性能稳定的碳纳米管超薄膜及其制备方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotubes, CNT)是1991年由日本NEC公司的Iijima发现的一种新型碳材料，具有优异的电、热、机械性能。典型的碳纳米管在溶液中易聚集成束，几乎不溶于任何溶剂，大大限制了CNTs在各方面的应用。近年来，通过表面活性剂的包裹作用，成功的将CNTs分散在不同溶剂包括水中；另外，经过化学反应修饰和各种官能化，除能获得CNTs的分散液外，还为CNTs的组装及表面反应提供了可能。由于具有优良的电子电导性、化学稳定性，以及高的比表面积等独特的物理化学性能，CNT薄膜在化学催化、智能响应、燃料电池、二次电池和超级电容器等领域展现了美好的应用前景。

CNT薄膜的制备通常可分为溶液浇铸法，层-层吸附自组装法，电化学沉积法，自组装成膜法（SAM）和LB技术等。由于具有良好的环境稳定性和较高的有序度，化学键构筑的自组装超薄膜近年来得到了广泛的研究，其步骤为：可溶性羧基碳纳米管的溶液通过化学自组装法在固体基板上形成，可溶性羧基碳纳米管的溶液为可溶性羧基单壁碳纳米管的溶液、可溶性羧基双壁碳纳米管的溶液或可溶性羧基多壁碳纳米管的溶液，固定基板为氧化锡铟（ITO）或硅片构成，事先经过氨基硅氧烷处理；制得的薄膜厚度在1~100nm。然而，利用化学键作为驱动力来制备碳纳米管组装膜时，需要使用羧酸基修饰的碳纳米管，由于反应限度的原因，常常导致组装膜内部残留大量的游离的羧酸根。当作为电化学器件使用时，在电流的催化下，这些存在于CNT表面上的游离活性基团易发生不可逆的氧化反应，从而使器件性能严重下降。因此为了获取具有优良电化学稳定性的碳纳米管薄膜，必须对其内部残存的羧酸根进行惰性化处理。由于碳纳米管的难溶特性，致使对其羧酸根的惰性化处理很困难，同时要得到与羧酸根之间依靠牢固的化学键相连的修饰物也非常困难。

发明内容

本发明的目的是要提供一种电化学性能稳定的碳纳米管超薄膜及其制备方法，以克服现有技术存在的易在电流催化下发生不可逆的氧化反应的缺点。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种电化学性能稳定的碳纳米管超薄膜的制备方法，包括下述步骤：

步骤一、制备碳纳米管超薄膜层：可溶性羧基碳纳米管的溶液通过化学自组装法在固体基板上形成；

步骤二、封端处理：在固体基板上的碳纳米管超薄膜层通过化学偶联或电化学氧化聚合的方式，与导电性分子进行接枝化学反应，得碳纳米管超薄膜。

上述导电性分子是导电聚苯胺、苯胺低聚物、导电聚吡咯或导电聚噻吩。

上述化学偶联方式是：把组装了碳纳米管超薄膜层的基板浸泡在导电高分子溶液中，使残余的羧基上面形成以牢固化学键相联接的导电高分子，然后用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮清洗掉物理吸附的粒子。

上述电化学氧化聚合方式是：把组装了碳纳米管超薄膜层的基板浸泡在导电高分子单体溶液中，施加从-2~+2V的扫描电压以使残余的羧基上面形成导电高分子，最后用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮清洗掉物理吸附的粒子即实现本发明所述的碳纳米管超薄膜。

一种由上述制备方法得到的电化学性能稳定的碳纳米管超薄膜。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、该方法制造的碳纳米管超薄膜以牢固的化学键与基板相连，且残余的羧酸基也以牢固的化学键与导电性分子相连接，物理性能稳定，导电率在1.0 S/cm左右，薄膜厚度均匀，分散性良好（如图1），具有极强的电化学稳定性，可在有氧的酸性环境下呈现出稳定的氧化还原电化学性能。

2、该方法具有工艺简单，操作容易的特点，不受基板表面形状的影响。 

3、因为本发明提供的碳纳米管薄膜具有优异的电化学氧化还原稳定性，可大大提高器件的性能及其使用寿命，适合用作各类光电器件、超级电容器、二次电池等领域，因此拓宽了碳纳米管薄膜在各类光、电化学器件中的使用范围。

附图说明：

图1是本发明制作电化学性能稳定的碳纳米管超薄膜的特征原子力扫描显微镜图；

图2是现有技术和实施例1分别提供的碳纳米管薄膜在1.0M的H₂SO₄溶液中的电化学性能测试曲线对比图。

图3是现有技术和实施例3分别提供的碳纳米管薄膜在1.0M的H₂SO₄溶液中的电化学性能测试曲线对比图。