[发明专利]用于分散和分离纳米管的方法

说明书

本申请是PCT国际申请日为2009年7月3日，PCT国际申请号为PCT/GB2009/001661、中国国家申请号为200980126065.8的发明名称为《用于分散和分离纳米管的方法》的申请的分案申请。

本发明涉及用于分散纳米管以产生包含高浓度的单独的、带电荷的纳米管的溶液的方法。该方法可以包括另外的分离步骤，其中通过直径、结构和电子特征将分散的纳米管分离，以产生经分类的或分级的材料和溶液。

纳米尺度碳材料具有巨大的技术和科学兴趣。炭黑已经长期已知，但是其具有不足地限定的结构。最近，已经开发了新类别的更完美的碳纳米结构体，包括富勒烯和纳米管。富勒烯的最著名实例是C₆₀，即一种具有特定对称和近似球形结构的纯的碳分子。该结构由共边六边形和五边形组成；确切地，需要12个五边形来关闭笼。通过增加/移除(通常地，成对的)碳原子，较大和较小的富勒烯都是已知的。归因于关闭五边形的均匀分布，这些较大的富勒烯通常还近似是球形的，但是当它们归因于在五边形的局部应变而变得更大时，其逐渐变为多面体。

碳纳米管涉及富勒烯，但是在结构上高度各向异性。关闭五边形集合(在每一个末端，6个)以形成‘帽(cap)’，而管的主体由石墨六边形的无接缝圆筒形成。对长径比没有基本限制，但是典型约1000，并且5,000,000是已知的。纳米管的令人感兴趣的性质极大地归因于六边形主体，并且实际上可以移除端帽以形成开管。碳纳米管可以分为两类：单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。

SWNT是纯的管状碳分子，其可以被认为是一个“卷起的”石墨烯片。SWNT的直径典型地为约1-1.5nm，并且它们的性质取决于它们的直径和它们从石墨烯片卷起的角度(手性角)。多壁碳纳米管由若干同心的SWNT层组成。存在若干种用于制备碳纳米管的技术。然而，所有技术都导致不同直径和手性的混合物。

纳米管的定义可以扩展至包括本领域技术人员所熟悉的大量变种和衍生物，包括例如缺陷(空位，其它环如七边形，和经由杂化而改变的)、内嵌材料(endohedral material)(用其它物质填充中空核)、化学官能化、二(或多)聚、以及更多复杂拓朴结构(topologies)的存在。

通常，用于纳米管和它们的衍生物的合成技术具有差的选择性，从而产生一定范围的具有不同特定特征的产物。尺度和内在对称性决定了许多关键性质，例如电子结构和光学行为。因此，高度期望的是将这些多分散材料分离成纯的物种。在小富勒烯如C₆₀的情况下的常规策略是将粗制混合物溶解在有机溶剂(通常地，甲苯)中，并且萃取可溶性部分，所述可溶性部分然后可以通过常规手段例如色谱法分离。

粒子经由强范德华力聚集，所述强范德华力不能通过在溶解/分散上获得的自由能克服。纳米碳归因于低的极性和缺乏特定的其它相互作用而特别具有挑战性。纳米碳材料通常还含有不期望的杂质，例如微米尺度的石墨，非晶碳，和金属催化剂粒子。另外，单壁纳米管本身趋于形成典型～50根管的紧密堆积的束。这些束含有以三角晶格堆积的类似的但是直径不同的管。束本身通常是无序的，从而表现出类似于意大利式细面条(spaghetti)板。可论证地，现在纳米管研究者面临的最大挑战是对此混合物进行分类并且形成特定类型SWNT的纯样品。纯的(分类的或分离的)纳米管的可用性将显著地推进该领域并且允许实现许多建议的纳米管应用。

将纳米管分离成简单半导体性和金属性物种的能力很可能立即在许多领域中开启机遇，包括：

·ITO替换：氧化铟锡广泛地用作用于显示器和光伏电池的透明导电电极。SWNT薄膜提供了中性的着色备选物。如果可以选择金属性SWNT，则透射率/传导率平衡很可能优于ITO。

·电子装置例如晶体管，FET，逻辑器件，传感器：半导体性的单壁纳米管的电子性质和尺度建议了向前驱动半导体工业中的摩尔定律(Moore’s Law)的路径。已经证明基于半导体性纳米管的单独器件异常地快速并且小，但是其当前归因于例如带隙(半径)变化性而受到限制。集成大量的器件仍是挑战性的，但是是吸引人的。在高灵敏固态传感器中正在开发最初的应用。

·超电容器：与金属性SWNT的传导性结合的金属性SWNT的高表面积(每一个原子都在表面上)提供了作为电化学双层超电容器的优异性能(已经记录了大于200F/g的异常电容)。超电容器可以在电子和运输应用中在根本上改进便携式电池的性能。