类碳纳米管及其纳米复合结构的水热合成与应用

碳一维纳米材料(如碳纳米管)因其自身独特的电子、机械、结构和物理化学特性,以及在能源、环境、医学等方面的广泛应用,近年来引起了人们极大的研究兴趣。但是制备碳纳米管条件苛刻(如高温物理或化学气相沉积)以及其超疏水表面大大限制了在水相体系的应用,特别是其生物不兼容性也限制了其在生命医学领域的应用。基于此,类碳纳米管或类碳复合纳米机构(如类碳-银纳米电缆)的研究引起了诸多关注。

澳大利亚蒙纳士大学化工系颗粒模拟与仿真实验室的蒋绪川教授及其研究团队通过长期实验研究,发现利用水热反应(<200 ̊C)尤其是控制添加剂如十六烷基三甲基溴化铵与银的比例可以得到壳层厚度可控的类碳-银纳米电缆(见图)。特别值得一提的是,此类复合结构材料在同一体系无需分离,也无需添加新的反应物质,仅仅通过降低水热反应温度(如60 ̊C),即可得到去掉银核之后的类碳纳米管。进一步考察发现,分离后得到的类碳纳米管可再次分散到水中,加入金、银、钯、铂的盐并加入还原剂,则可得到类碳-金属纳米复合结构:或电缆,或管壁内外均粘附有金属纳米颗粒;这为电子、光学、催化等性能的调控提供了相当大的空间。相关结果发表再SmallDOI: 10.1002/smll.201401854上。

类碳纳米管的许多特性有别于通常讲到的碳纳米管,例如亲水性,管壁多孔而非密闭结构、以及生物兼容性等。首先,亲水性。类碳纳米管及其纳米复合结构的制备均在水溶液中完成,特别是壳层材料是由糖类分子(葡萄糖、蔗糖、淀粉等)聚合而成,表面存在氢氧基团,有利于分散到水及其他极性类溶剂 (如醇类溶剂);这有利于水溶性离子、极性分子等在其表面反应,进行表面修饰。其次,管壁多孔而非密闭结构。该研究团队经详细考察研究,类碳纳米管的管壁具有孔结构(孔径0.3-1纳米),可供离子或分子传输,这非常有利于管壁内外修饰从而改变性能,如添加不同的金属(金、银、钯或铂)到管内,可应用于不同的催化反应;同时也可进一步开发应用于生物分子分离。第三,生物兼容性。类碳纳米管是由糖类分子如葡萄糖、蔗糖等在水热条件下聚合而成,表面富集氢、氧、以及氢氧基团,与生物细胞有兼容性并具有生物安全性,可应用于生物医学研究,如药物载体、光热治疗以及生物分子分离。

总之,该研究团队提出了一种操作简单、可重复性高、产率高的水热反应方法用于制备类碳纳米管及其纳米复合结构,其独特的光电特性以及生物兼容性将可广泛应用到电子、光学、催化、医学等领域。

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示意图:水热高温(160-180 ̊C)合成类碳-银纳米电缆,但体系降温(<140 °C)则可得到类碳纳米管。