[发明专利]一种二氯卡宾功能化碳纳米管的制备方法

说明书

技术领域  

本发明属于碳纳米管领域，具体涉及一种二氯卡宾功能化碳纳米管的制备方法。

背景技术    

自1991年Iijima发现碳纳米管以来，碳纳米管因其独特的管状结构和优异的性能受到广泛关注，并成为材料、物理和化学界研究的热点。同时，碳纳米管在复合材料、微电子技术、生物和化学传感器等方面都有很好的应用前景。然而，由于其表面的化学惰性, 未经修饰的碳纳米管难溶于有机溶剂及水，继而限制了其应用。因此世界诸多科学家对碳纳米管的可溶性问题进行了大量的探索研究。

目前，提高碳纳米管可溶性的途径主要是对碳纳米管进行化学修饰，修饰方法主要有：①直接和碳纳米管表面反应，包括对碳纳米管进行氟化、氢化、芳基重氮盐的电化学反应、卡宾(二氯卡宾)功能化等；②通过酸化的碳管表面的羧酸反应，主要是利用碳纳米管的缺陷所产生的羧酸基团, 引入其他功能性小分子或大分子长链。

卡宾功能化是其中一种功能化手段，可以很明显地提高碳纳米管在许多有机溶剂和水中的溶解性。Coleman等（非专利文献1  J . Am. Chem. Soc. , 2003,125:8722—8723）用卡宾反应改性单壁碳纳米管（SWNTs） 。改性的SWNTs 与2-甲基硫乙醇发生酯交换反应, 巯基化的SWNTs可络合金胶体。SWNTs上负载的金胶体证明了卡宾反应的发生。Hu等（非专利文献2  J . Am. Chem. Soc. , 2003,125:14893—14900）将HNO3切割的SWNTs依次酰氯化、胺化后溶解在二氯苯中, 加入 PhHgCCl2Br进行热分解, 产生的二氯卡宾与SWNTs反应得到二氯卡宾功能化碳纳米管。加入不同量的二氯卡宾前驱体PhHgCCl2Br，SWNTs功能化的程度会有所不同。本专利为不同于以上非专利文献的另一种合成卡宾功能化碳纳米管的有效途径。

发明内容    

针对目前制备卡宾功能化碳纳米管方法的反应过程较为复杂的问题，本发明提供了一种仅通过一步反应即可生成二氯卡宾功能化碳纳米管的简单高效经济安全的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种二氯卡宾功能化碳纳米管的制备方法，采用如下步骤：

 第一步：将碳纳米管在100～120℃下干燥除去碳纳米管所吸收的水分，将干燥的碳纳米管按照质量比为1:100~1:150放入的氯仿溶剂中采用超声波处理1～2h，得到充分分散均匀的碳纳米管/氯仿悬浮液；

 第二步：将碱按照摩尔比为1:2~1:4置于四氢呋喃中，搅拌均匀得到碱和四氢呋喃混合液，并将碱和四氢呋喃混合液冷却到-80~-50℃以降低反应剧烈程度，碱和第一步中氯仿的用量按照摩尔比为1:1~1:5；

 第三步：将第一步制作的碳纳米管/氯仿悬浮液逐滴加入到第二步冷却的碱和四氢呋喃的混合液中，得到混合物，将混合物倒入冰中，用水清洗除去其中碱金属氯化物和氢氧化物，再用纯度为99.99 %的乙醇清洗2～3次，然后用四氢呋喃除去其中的其他化学物质，在100～120℃下干燥除去其中有机溶剂及水分，即可得到二氯卡宾功能化的碳纳米管。

 作为一种优选方式：第二步中的碱为叔丁醇钾、叔丁醇钠、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或者几种的混合物。

 作为一种优选方式：所述碳纳米管是单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种二氯卡宾功能化碳纳米管的制备方法，仅通过一步反应产生二氯卡宾，反应步骤简单，原料成本低廉易于获得，合成所需装置简单，经济安全。二氯卡宾在无水溶剂中稳定存在，和碳纳米管管壁上碳碳双键发生加成反应，生成环丙烷衍生物，可明显提高碳纳米管在丙烯腈、正己烷、氯仿、二氯甲烷、甲苯等有机溶剂中的溶解度。

具体实施方式    

下面对本发明作进一步说明。

实施例1

一种二氯卡宾功能化碳纳米管的制备方法，采用如下步骤：

1）将89mg单壁碳纳米管粉体在110℃下干燥8h，除去碳纳米管所吸收的水分；将干燥的碳纳米管置于6ml氯仿溶剂中，采用超声波处理器处理1h，处理功率为40W，得到充分分散均匀的碳纳米管/氯仿悬浮液；

2）将41.9g叔丁醇钾置于71.8ml四氢呋喃中，搅拌均匀得到叔丁醇钾/四氢呋喃混合液；用干冰/乙醇溶液将叔丁醇钾/四氢呋喃混合液冷却至-75℃；