【写作竞赛】二氧化碳响应的“智能型”单壁碳纳米管

单壁碳纳米管(SWCNTs)是支持社会的可持续发展的重要先进材料。自90年代初发现以来,单壁碳纳米管就凭借其高拉伸强度、高弹性模量、良好的导电导热性以及较好的化学与环境稳定性等优异性能引起了广泛的关注。近年来,随着对其结构与性能的深入研究,单壁碳纳米管在超级电容器、锂离子电池、生物传感器等领域具有广阔的应用前景,其在绿色催化、能源转化和存储等领域大有所为,因此,被视为21世纪最具前途的纳米材料之一。

但是,由于其巨大的长径比和极强的管间范德华力,单壁碳纳米管在各种溶剂中的溶解性和分散性都十分有限。这极大程度限制了其应用。因此,在尽量不破坏SWCNT的本征结构与性能的前提下,通过一定的功能化修饰,如何提升其溶解性、分散性与可操纵性是SWCNT的研究热点。

四川大学高分子研究所的冯玉军教授组在这一方向的研究中就取得了可喜的进展(Advanced Materials 2013, 25(4), 584-590)。在该项研究中,他们使用了绿色的“触发剂”二氧化碳,利用π- π堆叠作用与SWCNT非共价连接的含脒基团芘衍生物(p-AP12)对SWCNTs进行功能化的修饰,从而尽可能地保证了SWCNT结构的完整性。用于功能化修饰的聚合物p-AP12不仅提供可与SWCNTs非共价连接的芘基团,还具有对二氧化碳有敏感响应的脒基团。p-AP12本身是中性且疏水的。因此,在二氯甲烷/水的双液相体系中,p-AP12/SWCNT杂合物会溶解在二氯甲烷中;向体系鼓泡通入二氧化碳后,p-AP12中的脒基团会离子化形成脒基碳酸氢盐,p-AP12/SWCNT杂合物随之由疏水转为亲水,从而从二氯甲烷迁移至水相中。因此,p-AP12可借助二氧化碳调节SWCNT在不同介质中的溶解性。通过探究p-AP12/SWCNT在水溶液中的分散情况,可以发现,在无二氧化碳的条件下,杂合物处于集聚的网状形貌;而在二氧化碳气氛下,由于p-AP12中的脒基团离子化形成脒基碳酸氢盐,静电相互作用与空间位阻抵消了范德华力的影响,使SWCNT处于良好的分散状态。这种通入/移除二氧化碳的过程是可逆并具有较好的重复性。因此,通过上述功能化修饰与二氧化碳的触发,可以很好地实现SWCNT在水相/有机相介质中溶解性与分散性的准确调控。

该项研究对于SWCNT应用于生物传感器、二氧化碳检测等领域的探索极具价值。同时,该研究所述的方法也为未来快速简便地实现对单壁碳纳米管、石墨烯分散状态的精确调控提供了可能。