碳纳米管的表面功能化及其纳米空间尺寸效应研究
碳纳米管因其独特的结构和物理化学性质受到人们的广泛关注。但碳纳米管的不溶性及较差的加工性能给纳米管的应用造成极大的困难，所以通过化学方法对碳纳米管进行表面改性，一直是备受关注的研究课题。另一方面，碳纳米管内腔的一维纳米空间提供了一个研究受限空间下的物质行为、化学反应的理想场所。本论文前半部分主要介绍了一些在碳纳米管表面引入功能基团或高分子链的新方法；论文后半部分通过对纳米管内壁功能团的热稳定性研究和限域作用下离子液体特殊的相转变研究，探讨了碳纳米管内部空腔的纳米尺寸效应。主要结果如下：
基于水溶液辐射化学理论，将多壁碳纳米管(MWNTs)置于K2S2O8的水溶液中辐照，K2S2O8辐解产生的硫酸根阴离子自由基可以与MWNTs表面的双键反应，从而将硫酸根接枝到MWNTs表面。利用两步辐照的方法：先将MWNTs置于乙醇中在伽马射线下辐照，得到羟乙基化的MWNTs，再将改性的纳米管置于丙烯酸的水溶液中辐照，就可以实现丙烯酸在MWNTs周围的原位辐射接枝聚合。成功地将聚丙烯酸高分子链接枝到MWNTs表面，所得的改性纳米管在水和一些极性溶剂中具有很好的溶解性。
根据碳纳米管表面双键可以和仲丁基锂反应生产碳负离子的特点，利用碳负离子作为阴离子聚合引发剂，将PtBA和PtBA-b-PMMA高分子链引入碳纳米管表面。在深入研究碳纳米管表面碳负离子引发阴离子聚合反应特征及其反应活性的基础上，根据碳负离子可以与二氧化碳、环氧乙烷反应生成羧基、羟基功能团的原理，首次利用碳负离子的反应将羧基、羟乙基引入到碳纳米管表面，制得水溶性纳米管。研究还发现对于羧基化的碳纳米管，羧基主要存在于纳米管的外表面，而对于羟乙基化的碳纳米管，羟乙基在纳米管的内外壁上均有接枝，而且由于碳纳米管的保护作用，接枝在纳米管内壁上的羟乙基热稳定性非常高。
为进一步了解碳纳米管内部空腔的纳米空间尺寸效应，将一种咪唑类室温离子液体[bmim][PF6]填充到碳纳米管内部，发现该离子液体可以形成一种超高熔点的晶体，其熔点高达200℃以上。而在本体中[bmim][PF6]的熔点只有6℃。结合离子液体本身的物理化学性质，探讨了在纳米管内部空腔的限域作用下离子液体结构的变化及其稳定晶体的形成机制。我们的结果不但提供了一种制备碳纳米管复合材料的新思路，而且对理解纳米受限空间下的物理化学行为具有重要参考意义。
碳纳米管
中国科学院上海应用物理研究所
博士
无机化学
吴国忠
2007
中文
TB383
137
2011-05-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）