碳纳米管化学

出版时间：2013-4  出版社：化学工业出版社  

前言

自1991年发现碳纳米管以来，其独特的结构和物理化学特性迅速引起世界范围内物理、化学、材料等科学界的研究热潮。然而由于碳纳米管之间强的范德华作用力，使其在溶液中易聚集成束，几乎不溶于任何溶剂，极大阻碍了对碳纳米管进行分子水平性质的研究及操作应用，也很难将它纳入生物体系，大大限制了碳纳米管在各领域的实际应用。为了充分开发它们的潜能，必须克服固有的范德华力来实现高程度的分散。因此，对碳纳米管这个特殊表面进行适当的修饰以改善其溶解/分散性能，成为解决碳纳米管性质研究和走向实际应用的一个关键问题。本书试图就碳纳米管功能化的研究现状及未来发展趋势作简明扼要的介绍。第一章阐述碳纳米管的结构和特性，让初次接触这一神奇一维纳米材料的人们对碳纳米管的发现、独特的性能及可能的应用前景有个概括性的了解。在初步了解碳纳米管引人之处之后，第二章将面临碳纳米管研究的首要问题，即制备、纯化及表征，这也是限制碳纳米管应用的主要问题，尤其是具有优异性能的单壁碳纳米管在制备过程中不可避免地带有金属催化剂和无定形碳等杂质，极大阻碍了对其性质的研究和应用。经过近20年的发展，随着科学技术的发展及研究的深入，碳纳米管的规模化制备、纯化及表征技术不断完善。本章重点介绍了电弧法、激光蒸发法、CVD法、太阳能法等制备CNTs技术，继制备技术之后，介绍了纯化碳纳米管的方法及各种电镜和光谱表征技术。从第三章开始，进入碳纳米管化学的研究，首先探讨了碳纳米管价键结构特征，介绍利用碳纳米管本征缺陷，端口的羧基进行衍生化制备功能化CNTs的方法，如酯化反应、酰胺化反应。接着第四章介绍了共价修饰碳纳米管管壁的反应，比如管壁的氟化和脱氟化反应、管壁的［1+2］、［2+3］、［2+4］环加成反应、管壁的亲核、亲电加成反应等。管壁的共价功能化在极大改善了碳纳米管溶液分散/溶解性能的同时，也一定程度破坏了CNTs的石墨晶格结构，改变了碳纳米管的电子特性，因此通过共价修饰可对CNTs的性质进行调控。为了减少或避免共价修饰对CNTs结构的破坏，可对CNTs进行非共价修饰，所以在第五章中介绍了非共价功能化CNTs的方法，如超分子功能化、生物分子功能化，非共价修饰在完整保留碳纳米管结构的同时也极大提高了CNTs的水溶性和生物兼容性。至此碳纳米管管外化学介绍完毕，接着进入第六章碳纳米管管内化学，即碳纳米管的填充，如填充金属化合物、无机分子等。第七章介绍了碳纳米管的分散和分离，按照碳纳米管的直径或手性进行分离的方法以解决碳纳米管多分散性问题，比如电泳分离法、色谱分离法、密度梯度离心分离法等。目前，通过一定的分子或功能基团对碳纳米管进行化学修饰已成为制备具有特定功能复合材料的研究热点。第八章介绍了基于卟啉共价修饰碳纳米管的电子给体受体体系的构建及光物理性质研究，探讨了复合体系结构对能量转移效率、非线性光学性质等影响，对于深入研究光合作用机理及构建纳电子器件具有重要的理论和现实意义。第九章介绍了碳纳米管优异的力学、热学等物理特性在复合材料方面的研究及应用。本书得以出版要感谢化学工业出版社的大力支持，感谢首都经济贸易大学及安全与环境工程学院有关的领导的指导与帮助。感谢郭震、王勇毅、钮英键、杨玲、刘志敏、李伟、文华、任慧英、陈蒲晶、刘福成等同志给予的辛勤付出。本书在编写过程中参考了相关领域的著作、文献，在此向有关作者致以谢忱。由于编者的知识、时间及水平有限，书中错误、疏漏之处在所难免，衷心希望专家、学者及广大读者对本书的疏漏之处给予批评指正。编者2012年9月

内容概要

《碳纳米管化学》内容简介：碳纳米管是近年备受瞩目的明星纳米材料，在复合材料、传感器、光电器件等领域具有广泛的应用前景。然而碳纳米管的特殊结构和性质使其在溶剂中很难分散，极大阻碍了对碳纳米管的研究和应用，因此，碳纳米管的化学修饰成为解决其应用的前提条件之一。《碳纳米管化学》将对碳纳米管的化学性质或其化学反应活性进行全面而又简要的介绍，内容涉及碳纳米管的结构、纯化、表征技术、非共价修饰、共价键修饰、管中化学、碳纳米管的分散及分离及碳纳米管的超分子化学等方面。
《碳纳米管化学》可作为化学化工环境材料科技人员、高校相关专业师生参考阅读，也可作为安全技术及工程工程、防灾与减灾等专业的师生参考阅读。

书籍目录

第1章绪论 1.1引言 1.1.1小尺寸效应 1.1.2表面效应 1.1.3量子尺寸效应 1.1.4宏观量子隧道效应 1.2碳纳米管的发现 1.3碳纳米管的结构 1.4碳纳米管的特性 1.4.1机械性能 1.4.2热学性质 1.4.3导电性能 1.4.4吸附性能 1.5碳纳米管的应用 1.5.1超级电容器 1.5.2锂离子电池 1.5.3氢气存储 1.5.4电子器件 1.5.5碳纳米管修饰电极 1.5.6纳米机械 1.5.7碳纳米管复合材料 1.5.8在生物医学方面的应用 1.6碳纳米管的功能化 参考文献 第2章碳纳米管的制备、纯化及表征 2.1碳纳米管的制备 2.1.1石墨电弧法 2.1.2激光蒸发法 2.1.3化学气相沉积法 2.1.4其他合成方法 2.2碳纳米管的纯化 2.2.1硝酸纯化法 2.2.2盐酸纯化法 2.3碳纳米管的表征技术 2.3.1透射电子显微镜（TEM）表征 2.3.2扫描隧道显微术（SEM）表征 2.3.3原子力显微镜（AFM）表征 2.3.4拉曼光谱表征 2.3.5 X射线衍射光谱（XRD） 2.3.6紫外可见近红外吸收光谱 2.3.7红外光谱 2.3.8热失重 2.4结束语 参考文献 第3章碳纳米管的缺陷化学 3.1碳纳米管的价键特征和功能化修饰机理 3.2 CNTs缺陷类型及产生 3.3 SWNTs—COOH羧基含量的测定 3.4缺陷功能化CNTs 3.4.1可溶性CNTs衍生物 3.4.2 CNTs共修饰 3.4.3 CNTs管端不对称修饰 3.4.4纳米粒子和量子点 3.4.5表面共价修饰CNTs 3.4.6基于CNTs的分子电子器件 3.4.7 CNTs集成Donor／Acceptor组装 3.4.8 CNTs功能复合材料 3.4.9 CNTs作为聚合物增强助剂 3.4.10生物功能化CNTs 3.4.11金属络合物配位 3.4.12碳纳米管之间的“焊接”  3.5官能团转换 3.6结束语 参考文献 第4章碳纳米管的共价管壁化学 4.1引言 4.2 CNTs的氟化及氟化CNTs的亲核取代反应 4.3 CNTs的氢化 4.4 CNTs的环氧化 4.4.1卡宾和氮宾的加成 4.4.2亲核环丙烷化：Bingle反应 4.4.3 CNTs的硅烷化 4.5 【1，3】—环加成反应 4.5.1两性离子环加成 4.5.2甲亚胺叶立德加成反应 4.5.3臭氧化 4.5.4无机化合物的加成 4.6 【4+2】—环加成反应：Diels—Alder反应 4.7碱金属还原CNTs的侧壁功能化 4.7.1 Naphthalenides作为电子转移试剂 4.7.2 CNTs的还原烷基化 4.7.3其他电子转移中介 4.8自由基侧壁功能化CNTs 4.8.1碳自由基 4.8.2硫自由基 4.8.3氧自由基 4.8.4 CNTs侧壁的氨基化 4.8.5基于重氮的功能化 4.9亲电加成 4.10亲核加成反应 4.10.1碳亲核加成 4.10.2氮亲核加成 4.11机械化学功能化 4.12结束语 参考文献 …… 第5章 碳纳米管非共价键化学修饰 第6章碳纳米管的管内填充 第7章碳纳米管的分散和分离 第8章 卟啉共价修饰碳纳米管复合物 第9章碳纳米管复合材料

章节摘录

版权页：   插图：   利用CNTs对酚醛树脂（PF）进行改性，CNTs能够明显提高PF／CF复合材料弯曲强度、压缩强度、层间剪切强度和冲击强度。以CNTs为填料制备聚四氟乙烯（PTFE）基复合材料，CNTs／PTFE复合材料的摩擦系数随着CNTs含量的增加呈降低的趋势，其耐磨性能明显优于纯PTFE，以CNTs作为填料可有效地抑制PTFE的磨损。利用合成的两种新型阻燃剂SPS和PTE与聚磷酸铵（APP）及MWNTs复配，并应用于低密度聚乙烯（LDPE），得到膨胀型阻燃LDPE—MWNTs复合材料，大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和热释放速率，而且燃烧后的残碳量大大增加。 碳纳米管复合材料不仅可以利用其力学性能来制备增强复合材料，而且还可以作为功能增强剂填充到聚合物中，提高其导电性、散热性能等。将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度跟高并具有导电性能的塑料，可用于静电喷涂和静电消除材料，目前高档汽车的塑料零件采用了这种材料，可用普通塑料取代原用的工程塑料，简化制造工艺，降低了成本，并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件，是静电喷涂塑料的发展方向。同时由于碳纳米管复合材料具有良好的导电性，不像绝缘塑料会产生静电堆积，因此是用于静电消除、晶片加工、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。还可以利用其静电屏蔽功能消除电子设备外部静电干扰，保证电子设备正常工作。另外，将经化学修饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺制碳纳米管复合纤维，其不仅具有导电或抗静电性，还具有高的强度和模量，该类复合纤维可望应用于轻便且刀枪不入的装甲和防弹背心或服装材料。 碳纳米管表现出优良的吸波性能，同时具有质量轻、高温抗氧化性强及吸波频带宽等特点，是新一代最具发展潜力的吸波材料，可用于隐形材料、电磁屏蔽或暗室吸波材料。美国专利报道了在树脂中添加质量分数为l.5％、长径比大于100的碳纳米管，这种厚度为1mm、密度为1.2～1.4g／cm3的薄膜材料对20kHz～1.5GHz的宽频电磁波具有较好的吸收，能够吸收86％的1.5GHz的电磁波。该材料在民用领域具有广阔的应用前景，可用于防止电子仪器造成的电磁辐射污染，从而净化电磁环境，保护人类健康和保障电子仪器的正常工作。 1.5.8在生物医学方面的应用 碳纳米管是一种十分理想的生物分子检测材料，可应用于分子探针和生物传感器方面。这主要基于下列几个原因：①直径小，可以探测生物分子深的裂缝和沟槽结构；②高比表面积；③可以进行弹性弯曲；减小对生物分子样品的损坏；④可以在其末端修饰具有反应性的官能团，随着其表面结构修饰的改变而改善其电学性质，并提高生物相容性。

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