ВОЗДЕЙСТВИЕ ЖИДКОФАЗНЫХ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ОБРАБОТОК НА СТРУКТУРУ И ГИДРОФИЛЬНОСТЬ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Аннотация
Углеродные нанотрубки (УНТ) были синтезированы методом газофазного химического осаждения (CVD-методом) с применением метана в качестве углеводородного реагента и с использованием катализатора из оксида железа, нанесенного на мелкодисперсный оксид алюминия, а также этого же катализатора с добавкой оксида молибдена, нанесенного на мелкодисперсный оксид магния. Синтезированные материалы обрабатывали концентри-рованной азотной кислотой (HNO3)или смесью концентрированных азотной и серной кислот (HNO3 /H2SO4) в объемном соотношении 2:1 , при температуре 110-120 °С в течение 1 ч. Часть их до окислительных жидкофазных кислотных обработок подвергали воздействию пероксида водорода (H2O2) в течение 1-2 ч при температуре 100-110 °С. Структурные особенности, элементные составы синтезированных УНТ, исследованы до и после жидкофазных окислительных обработок такими методами, как просвечивающая электронная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света, рентгеновская энерго-дисперсионная спектроскопия, рентгенофазовый анализ. В работе изучена способность УНТ, прошедших обработку в разных окислительных средах, образовывать устойчивые концентрированные водные суспензии. Установлено, что исходная дефектность молекул УНТ существенно влияет на гидрофильные свойства окисленных модификаций УНТ. Это обуславливает их разную способность к образованию концентрированных, устойчивых водных суспензий, предопределяет выбор комбинаций окисляющих жидкофазных обработок, наиболее способствующих этому. Выявлено, что HNO3 и смесь HNO3/H2SO4 при использованных температурных условиях обработок и длительности не оказывают сильного деструктивного воздействия на структуру УНТ. Окислительное влияние этих реагентов на молекулы данного материала проявляется, в основном, в дефектных местах. Более эффективной очистке УНТ от каталитических компонентов синтеза способствует HNO3, но для образования устойчивых водных суспензий из молекул этого материала необходимо использовать обработку смесью HNO3/H2SO4, и это не зависит от особенностей синтеза УНТ.
Литература
Komatsu N., Wang F. Comprehensive review on separation methods and techniques for single-walled carbon nanotubes. Materials. 2010. V. 3. P. 3818-3844. DOI: 10.3390/ma3073818.
Heng Chen, Liuyang Zhang, Matthew Becton, Hong Nie, Jinbao Chen, Xiangiao Wang. Molecular dynamics study of a CNT-buckyba-enabled energy absorption system. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. V. 17. P. 17311-17321. DOI: 10.1039/c5cp01969a.
Arafat Shabaneh, Saad Girei, Punitha Arasu, Mohd Mahdi, Suraya Rashid, Suriati Paiman, Mohd Yaacob. Dynamic response of tapered optical multimode fiber coated with carbon nanotubes for ethanol sensing application. Sensors. 2015. V. 15. P. 10452-10464. DOI: 10.3390/s150510452.
Hou P.-X., Liu C., Cheng H.-M. Purification of carbon nanotubes. Carbon. 2008. V. 46. P. 2003-2025. DOI: 10.1016/j.carbon.2008.09.009.
Miyata Y., Maniva Y., Kataura H. Selective oxidation of semiconducting single-wall carbon nanotubes by hydrogen peroxide. J. Phys Chem. B. Lett. 2006. V. 110. P. 25-29. DOI: 10.1021/jp055692y.
Shulitskii B.G., Tabulina L.B., Rusalskaya T.G., Shaman Yu.P., Komissarov I.V., Karoza A.G. Effect of the multistage chemical treatment of carbon nanotubes on their purity and quality of walls. Rus. J. Phys. Chem. A. 2012. V. 86. N 10. P. 1595-1601. DOI: 10.1134/S0036024412100238.
Datsyuk V., Kalyva M., Papagelis K., Parthenios J., Tasis D., Siokou A., Kalitsis I., Galiotis C. Chemical oxidation of multiwalled carbon nanotubes. Carbon. 2008. V. 46. P. 833-840. DOI: 10.1016/j.carbon.2008.02.012.
Mazov I., Kuznetsov V.L., Simonova I.A., Stadnichenko A.I., Ishchenko A.V., Romanenko A.I., Tkachev E.N., Anikeeva O.B. Oxidation behavior of multiwall carbon nanotubes with different diameters and morphology. Appl. Surf. Sci. 2012. V. 258. P. 6272 – 6280. DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.03.021.
Liu C.-H., Zhang H.-L. Chemical approaches towards single-species single-walled carbon nanotubes. Nanoscale. 2010. V. 2. P. 1901-1918. DOI: 10.1039/c0nr00306a.
Bergeret C., Cousseau J., Fernandes V., Mevellec J.-Y., Lefrant S. Spectroscopic evidence of carbon nanotubes metallic character loss induced by covalent functionalization via nitric acid purification. J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. P. 16411-16416. DOI: 10.1021/jp806602t.
Yang C.-M., Park J.S., An K.H., Lim S.C., Seo K., Kim B., Park K.A., Han S., Park C.Y., Lee Y.H. Selective removal of metallic single-walled carbon nanotubes with small diameters by using nitric and sulfuric acids. J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. P. 19242-19248. DOI: 10.1021/jp053245c.
Liang F., Beach J.M., Rai P.K., Guo W., Hauge R.H., Pasquali M., Smalley R.E., Billups W.E. Highly exfoliated water-soluble single-walled carbon nanotubes. Chem. Mater. 2006. V. 18. P. 1520-1524. DOI: 10.1021/cm0526967.
Alvarez N.T., Kittrell C., Schmidt H.K., Hauge R.H., Engel P.S. Tour J.M. Selective photochemical functionalization of surfactant-dispersed single wall carbon nanotubes in water. J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 14227-14233. DOI: 10.1021/ja804164y.
Maeda Y., Kimura S., Kanda M., Hirashima Y., Hasegawa T., Lian Y., Nakahodo T., Tsuchiya T., Akasaka T., Lu J., Zhang X., Gao Z., Yu Y., Nagase S., Kazaoui S., Minami N., Shimizu T., Tokumoto H., Saito R. Largescale separation of metallic and semiconducting single-walled carbon nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 10287-10290. DOI: 10.1021/ja051774o.
Labunov V.A., Shulitski B.G., Shaman Yu.P., Komis-sarov I., Batura M.P., Basaev A.S., Tay B. K., Shakuzadeh M. Growth of few wall carbon nanotubes with narrow diameter distribution over Fe-Mo-MgO catalyst by methane / acetylene catalytic decomposition. Proceedings of the 4th IEEE International NanoElectronics Conference. 2011. P. 1-2. DOI: 10.1109/INEC.2011.5991634.
Kastner J., Pichler,T., Kuzmany H., Curran S., Blau W., Weldon D.N., Delamesiere M., Draper S., .Zandbergen H. Resonance Raman and infrared spectroscopy of carbon nanotubes. Chem. Phys. Lett. 1994. V. 221. P. 53-58. DOI: 10.1016/0009-2614(94)87015-2.
Pimenta M.A., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S., Can-çado L. G., Jorio A., Saito R. Studying disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy. Phys. Chem. Chem Phys. 2007. V. 9. P. 1276-1291. DOI: 10.1039/b613962k.
Singh Dilip. K., Iyer P.K., Giri P.K. Diameter dependence of interwall separation and strain in multiwalled carbon nanotubes probed by X-ray diffraction and Raman scattering studies. Diamond and Related Materials. 2010. V. 19. P. 1281-1288. DOI: 10.1016/j.diamond.2010.06.003.
Forden S., Howard C.A., Heenan R.K., Skipper N.T., Shaffer M.S.P. Scalable method for the reductive dissolution, purification, and separation of single-walled carbon nano-tubes. ACS NANO. 2012. V. 6. P. 54-62. DOI:10.1021/nn2041494.
Jorio A., Santos A.P., Ribeiro H.B., Fantini C., Souza M., Vieira J.P.M., Furtado C.A., Jiang J., Balzano L., Resasco D.E., Pimenta M.A. Quantifying carbon-nanotube species with resonance Raman scattering. Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 075207-1-5. DOI: 10.1103/Phys.RevB.72.75207.
