ИССЛЕДОВАНИЕ ФТОРИРОВАННЫХ ДВУСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Аннотация
Представлены экспериментальные результаты исследования фторированных образцов сверхдлинных двустенных углеродных нанотрубок длиною не менее 1000 мкм. Степень фторирования не превышала 27 ат.%. Показано, что процесс фторирования образцов двустенных углеродных нанотрубок деформирует внешнюю поверхность стенки нанотрубки и практически не разрушает ее внутреннюю концентрическую структуру, при этом диаметр фторированной нанотрубки увеличивается в 1,5-2 раза. Показано, что на фторированных образцах, предварительно термохимическим способом очищенных от частиц железа и других форм углерода, появляется много посечённых/порезанных кончиков нанотрубок. Изучено влияние фторирования на электрические свойства исходного и очищенных образцов двустенных углеродных нанотрубок. Выявлено, что с ростом температуры от 80 до 300 К у нефторированных и фторированных очищенных образцов нанотрубок удельное сопротивление уменьшается, что соответствует полупроводниковому характеру проводимости. Также выявлено, что при фторировании образца исходных двустенных нанотрубок (ДУНТ) наблюдается изменение характера проводимости с полупроводникового на металлический. С ростом температуры от 80 до 300 К сопротивление нефторированного образца исходных ДУНТ снизилось на 45%, в то время как сопротивление фторированного – выросло на 11%. Несмотря на снижение электропроводности в результате фторирования очищенных образцов, все образцы остались проводниками, что предположительно свидетельствует о частичном фторировании внешней стенки ДУНТ с сохранением структуры внутренней стенки. Таким образом, фторирование двустенных углеродных нанотрубок с хорошо выровненной и концентрической структурой приводит к образованию фторуглеродных наноструктур, которые могут выступать перспективными материалами для создания электронных наноустройств.
Для цитирования:
Караева А.Р., Хасков М.А., Куржумбаев Д.Ж., Кульницкий Б.А., Мордкович В.З. Исследование фторированных двустенных углеродных нанотрубок. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 38-48. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.4y.
Литература
Dong L., Lei Sh., Quanbin D.ai, Xuanni L., Rashid M., Zi G., Liming D. Functionalization of carbon nanotubes for multifunctional applications. J. Trends Chem. 2024. V. 6. N 4. P. 186-210. DOI: 10.1016/j.trechm.2024.02.002.
Rama D., Dhiraj D., Arpan S., Pronobesh Ch. Function-alized carbon nanotubes: synthesis, properties and applications in water purification, drug delivery, and material and biomedical sciences. J. Nanoscale Adv. 2021. N 20. (3). P. 5722-5744. DOI: 10.1039/D1NA00293G.
Norizan M. N., Moklis M. H., Ngah D., Siti Z., Halim N. A., Samsuri A., Mohamad I. S., Knight V. F., Abdullah N. Carbon nanotubes: functionalisation and their application in chemical sensors. J. RSC Adv. 2020. 10 (71). P. 43704–43732. DOI: 10.1039/d0ra09438b.
Adamska M., Narkiewicz Ur. Fluorination of Carbon Nanotubes. A Review. J. Fluorine Chem. 2017. P. 29. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2017.06.018.
Kuznetsova T.S., Burakov A.E., Pasko T.V., Burakova I.V., Dyachkova T.P., Memetova A.E. Physicochemical and sorption properties of nanocomposite aerogel based on modified carbon nanotubes and graphene. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 3. P. 66-76 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6726.
Orlov V.Y., Kalashyan A.R. Regularities of formation of peripheral groups on the surface of CNTs during interaction with diazo compounds. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 2. P. 96-101 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226502.6481.
Cong P., Lingchen K., Yu L., Haoyu F., Lidong S., Yiyu F., Wei F. Fluorinated graphene nanoribbons from unzipped single-walled carbon nanotubes for ultrahigh energy density lithium-fluorinated carbon batteries. J. Sci China Mater. 2021. 64 (6). P. 1367–1377. DOI: 10.1007/s40843-020-1551-x.
Sysoev V.I., Bulavskiy M.O., Pinakov D.V., Chekhova G.N., Asanov I.P., Gevko P.N., Bulusheva L.G., Okotrub A.V. Chemiresistive Properties of Imprinted Fluorinated Graphene Films. J. Materials. 2020. 13 (16). P. 3538. DOI: 10.3390/ma13163538.
Li Y., Wu X., Liu C., Wang S., Zhou P., Zhou T., Miao Z., Xing W., Zhuo S., Zhou J. Fluorinated Multi-Walled Carbon Nanotubes as Cathode Materials of Lithium and Sodium Primary Batteries: Effect of Graphitization of Carbon Nanotubes. J. Mater. Chem. A. 2019. (7). P. 7128-7137. DOI: 10.1039/C8TA12074A.
Liu Y., Jiang L., Wang H., Wang H., Jiao W., Chen G., Zhang P., Hui D., Jian X. A brief review for fluorinated carbon: synthesis, properties and applications. Nanotechnol. Rev. 2019. 8 (1). P. 573–586. DOI: 10.1515/ntrev-2019-0051.
Cui X., Chen J., Wang T., Chen W. Rechargeable Batteries with High Energy Storage Activated by In-situ Induced Fluorination of Carbon Nanotube Cathode. Sci. Rep. 2014. V. 4 (1). 5310. DOI: 10.1038/srep05310.
Khabashesku V.N. Covalent functionalization of carbon nanotubes: synthesis, properties and applications of fluori-nated derivatives. Russ. Chem. Rev. 2011. 80 (8). P. 705–725. DOI: 10.1070/rc2011v080n08abeh004232.
Min-Jung J., Euigyung J., Young-Seak L. The surface chemical properties of multi-walled carbon nanotubes modified by thermal fluorination for electric double-layer capacitor. J. Appl. Surf. Sci. 2015. V. 347. P. 250-257. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.04.038.
Fei W., Siming Zh., Qinyuan J., Xueke W., Baoshun W., Rufan Zh. Advanced functional carbon nanotube fibers from preparation to application. Cell Rep. Phys. Sci. 2022. 3. 100989. DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.100989.
Kolesnik-Gray M., Sysoev V.I., Gollwitzer S., Pinakov D.V., Chekhova G.N., Bulusheva L.G., Okotrub A.V., Krstić V. Electrical Transport in Devices Based on Edge‐Fluorinated Graphene. J. Adv. Electron. Mater. 2018. P. 1800073. DOI: 10.1002/aelm.201800073.
Seongmin H., Seo G.J., Chaehun L., Chung G.M., Young-Seak L. Application of thermally fluorinated multi-wall carbon nanotubes as an additive to an Li4Ti5O12 lithium ion battery. J. Nanomaterials. 2023. 13(6). P. 995. DOI: 10.3390/nano13060995.
Mickelson E.T., Huffman C.B., Rinzler A.G., Smalley R.E., Hauge R.H., Margrave J.L. Fluorination of single-wall carbon nanotubes. J. Chem. Phys. Lett. 1998. 296 (1-2). P. 188–194. DOI: 10.1016/s0009-2614(98)01026-4.
Lee K.K., Li Y. Fluorination of single-walled carbon nano-tubes via CHF3 plasma. IEEE-2012 (COMMAD) – Mel-bourne. Australia. P. 175-176. DOI: 10.1109/commad.2012.6472417.
Kang J.H., Takhar D., Kuznetsov O.V., Khabashesku V.N., Kelly K.F. Fluorination and defluorination of carbon nanotubes: a nanoscale perspective. J. Chem. Phys. Lett. 2012. 534. P. 43-47. DOI: 10.1016/j.cplett.2012.03.026.
Fedoseeva Y.V., Dubois M., Flahaut E., Vilkov O.Y., Chuvilin A., Asanov I.P., Okotrub A.V., Bulusheva L.G. Effect of hydrogen fluoride addition and synthesis temperature on the structure of double-walled carbon nanotubes fluorinated by molecular fluorine. J. Phys. Status Solidi (B): Basic Solid State Phys. 2018. V. 255. N 1. P. 1700261. DOI: 10.1002/pssb.201700261.
Bulusheva L.G, Fedoseeva Y.V., Flahaut E., Rio J., Ewels Ch.P., Koroteev V.O., Van L.G., Vyalikh D.V., Okotrub A.V. Effect of the fluorination technique on the surface-fluorination patterning of double-walled carbon nanotubes. Beilstein J. Nanotechnol. 2017. (8). P. 1688–1698. DOI: 10.3762/bjnano.8.169.
Muramatsu H., Kim Y. A., Hayashi T., Endo M., Yonemoto A., Arikai H., Okino F., Touhara H. Fluorination of double-walled carbon nanotubes. J. Chem. Commun. 2005. 15. P. 2002–2004. DOI: 10.1039/b416393a.
Karaeva A.R., Khaskov M.A., Mitberg E.B., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Ivanov L.A., Denisov V.N., Ki-richenko A.N., Mordkovich V.Z. Longer Carbon Nano-tubes by Controlled Catalytic Growth in the Presence of Wa-ter Vapor. J. Fuller. Nanotub. Carbon Nanostruct. 2012. 20. P. 411–418. DOI: 10.1080/1536383X.2012.655229.
Karaeva A.R., Kazennov N.V., Zhukova E.A., Mordkovich V.Z. Carbon nanotubes by continuous growth, pulling and harvesting into big spools. Mater. Today: Proc. 2018. V. 5. N 12. P. 25951-25955. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.08.010.
Mordkovich V.Z., Kazennov N.V., Ermolaev V.S., Zhu-kova E.A., Karaeva A.R. Scaledup process for producing longer carbon nanotubes and carbon cotton by macro-spools. J. Diam. Related Mater. 2018. V. 83. 2018. P. 15–20. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.01.017.
Kobeleva E.S., Uvarov M.N., Kravets N.V., Ponomarev S.A., Gurova O.A., Okotrub A.V., Kazantzev M.S., Degtyarenko K.M., Kulik L.V. Fluorinated carbon nano-tubes as nonvolatile additive to the active layer of poly-mer/fullerene solar cells. J. Fullerenes, Nanotubes Carbon Nanostruct. 2023. V. 31. N 5. P. 464-473. DOI: 10.1080/1536383X.2023.2179618.
Sysoev V.I., Gurova O.A., Fedoseeva Y.V., Gusel'nikov A.V., Makarova A.A., Okotrub A.V., Bulusheva L.G. Tuning humidity sensing properties via grafting fluorine and nitrogen-containing species on single-walled carbon nano-tubes. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2023. V. 25. N 29. P. 19976-19985. DOI: 10.1039/d3cp01550e.
Gurova O.A., Sysoev V.I., Lobiak E.V., Makarova A.A., Asanov I.P., Okotrub A.V., Kulik L.V., Bulusheva L.G. Enhancement of volumetric capacitance of binder-free single-walled carbon nanotube film via fluorination. J. Nanomaterials. 2021. 11(5). P. 1135. DOI: 10.3390/nano11051135.
Chekhova G., Pinakov D., Shubin Y., Fadeeva V., Tikhova V., Okotrub A., Bulusheva L. Room temperature synthesis of fluorinated graphite intercalation compounds with low fluorine loading of host matrix. J. Fluor. Chem. 2020. 232. P. 109482. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2020.109482.
Vyalikh A., Bulusheva L., Chekhova G.N., Pinakov D., Okotrub A.V., Scheler U. Fluorine patterning in room-temperature fluorinated graphite determined by solid-state NMR and DFT. J. Phys. Chem. C. 2013. 117 (15). P. 7940–7948. DOI: 10.1021/jp4028029.
Liang S.D. Intrinsic properties of electronic structure in commensurate double-wall carbon nanotubes. J. Phys. B. Condens Matter. 2004. V. 352(1–4). P. 305–311. DOI: 10.1016/j.physb.2004.08.002.
Dementjev A.P., Eletskii A.V., Maslakov K.I., Rakov E.G., Sukhoverhov V.F., Naumkin A.V. Fluorination of Carbon Nanostructures and Their Comparative Investigation by XPS and XAES Spectroscopy. J. Fullerenes, Nanotubes Carbon Nanostruct. 2006. V. 14. N 2-3. P. 287-296. DOI: 10.1080/15363830600663990.
Lekawa-Raus A., Walczak K., Kozlowski G., Wozniak M., Hopkins S.C., Koziol K.K. Resistance–temperature de-pendence in carbon nanotube fibres. J. Carbon. 2015. 84. P. 118–123. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.11.062.
Soto M., Vajtai R., Ajayan P.M., Barrera E.V. Carbon nanotube conditioning part 1–effect of interwall interaction on the electronic band gap of double-walled carbon nano-tubes. J. Nanotechnol. 2018. 29 (4). 045701. DOI: 10.1088/1361-6528/aa9f05.
Ageeva E.A., Zhukova E.A., Karaeva A.R., Mordkovich V.Z. Changes in physical properties of super long carbon nano-tubes after different methods of purification. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 9. P. 74-79 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.20165909.1y.
Rasheed A., Howe J.Y., Dadmun M.D., Britt P.F. The efficiency of the oxidation of carbon nanofibers with various oxidizing agents. J. Carbon. 2007. V. 45. P. 1072-1080. DOI: 10.1016/j.carbon.2006.12.010.
Karaeva A.R., Zhukova E.A., Urvanov S.А., Senatulin B.R., Skryleva E.A., Mordkovich V.Z. Modification of surface of double-wall carbon nano tubes by fullerene C60. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 8. P. 12-20. DOI: 10.6060/tcct.20165908.27y.
Kuznetsova A., Popova I., Yates J.T., Bronikowski M.J., Huffman C.B., Liu J., Chen J.G. Oxygen-Containing Functional Groups on Single-Wall Carbon Nanotubes: NEXAFS and Vibrational Spectroscopic Studies. J. Am. Chem. Soc. 2001. 123. 43. P. 10699–10704. DOI: 10.1021/ja011021b.
Shchegolkov A.V., Burakova E.A., Dyachkova T.P., Orlova N.V., Komarov F.F., Lipkin M.S. Synthesis and functionalization of carbon nanotubes for supercapacitor electrodes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 7. P. 74-81 (in Rus-sian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206307.6239.
