水中可分散單壁碳納米管的制備

高金玲，廉永福，馮世德，劉佳雪

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江大學(xué)化學(xué)化工與材料學(xué)院）

由于單壁碳納米管（SWCNTs）具有較大的長徑比、較大的比表面積和較強的機械性能，可增強聚合物復(fù)合材料的電導(dǎo)率[1]；由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性能，可用于激光器[2]、傳感器[3-4]和納米復(fù)合材料的制作[5]；由于其具有中空的管狀結(jié)構(gòu)，可用來儲存藥品[6]；可見SWCNTs 在眾多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，所以SWCNTs 的制備是一項有意義的工作。

制備SWCNTs 的方法有很多種[7]，不管哪種方法所制備的SWCNTs 粗品大都包括催化劑金屬顆粒、非晶態(tài)碳和石墨顆粒等雜質(zhì)，所以SWCNTs 制品需要純化提純處理。SWCNTs 的純化方法可分為兩大類：物理純化法和化學(xué)純化法[8-10]。此外，由于SWCNTs 管束間的范德華力，SWCNTs 通常成束存在，且由于SWCNTs 在水介質(zhì)中的不溶性和難分散性，進一步嚴重限制了其在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此水中可分散高純度SWCNTs 的制備是一項有意義的工作。近年來，許多研究利用各種有機和無機溶劑、表面活性劑分子和生物分子作為分散劑來解決這一問題。常用來分散SWCNTs 的物質(zhì)有表面活性劑、離子液體、生物大分子和聚合物等。徐紅梅等[11]發(fā)現(xiàn)包括?；敲撗跄懰徕c在內(nèi)的6 種膽酸類表面活性劑對SWCNTs 具有不同的分散能力，且其中牛脫氧膽酸鈉對SWCNTs 的分散性能最好。朱明晶等[12]報道了利用一種水溶性的共軛聚電解質(zhì)—聚3-甲基咪唑鹽己基噻吩對SWCNTs 進行分散，較表面活性劑SDS 相比，此共聚物對SWCNTs 有較好的分散性能，且其分散液能夠穩(wěn)定存在半年。侯業(yè)智等[13]設(shè)計合成了聚芴類高聚物，并利用其對SWCNTs 進行分散，得到了穩(wěn)定分散體系，并利用熒光測試驗證了在聚合物和SWCNTs 存在π-π 相互作用。Yanxiang Li 等[14]利用三步法合成了一種聚合物離子液體PIL，發(fā)現(xiàn)此離子液體在DMF 溶劑中對SWCNTs 有較好的分散性能，并以聚離子液體包裹的SWCNTs 為傳感材料，研制了一種超靈敏的CO2傳感器，其檢測限為500 ppt，且該傳感器對CO2具有較好的選擇性，并能抵抗相對濕度的干擾。Nakano 等[15]報道了SWCNTs 在離子液體衍生聚合物PILs 中的可分散性，研究發(fā)現(xiàn)SWCNTs 在PILs 中是高度分散的。Pramanik 等[16]報道了生物大分子對SWCNTs 的分散性能，并采用全原子分子動力學(xué)模擬方法，研究了手性指數(shù)（6，5）ssDNA-SWCNTs復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。同時還比較了ssDNA、黃酮類單核苷酸表面活性劑和聚氨基胺（PAMAM）樹枝狀分子對SWCNTs 的分散效率。李潔等[17]利用聚乙二醇和葡聚糖的密度不同，實現(xiàn)了單一手性指數(shù)（6，5）SWCNTs 的分離，并進一步研究了其作為藥物載體時對細胞的毒性問題。Alghunaim 等[18]把SWCNTs 分散于PVP 中，得到穩(wěn)定的分散液。

基于以上綜述以及課題組之前所研究內(nèi)容[19]，試驗中首先利用直流電弧放電法制備了大直徑SWCNTs 粗品，然后對SWCNTs 粗品進行了純化處理，然后利用聚己烯醇（PVP）對純化后的SWCNTs 進行分散研究，進一步考察PVP 對純化后SWCNTs 的分散行為，最后考察了SWCNTs 的電子傳遞行為。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

碳粉和石磨棒為光譜純，聚乙烯醇、濃鹽酸、硫化亞鐵、丙酮、乙醇和六氰合鐵酸鉀為分析純，釔鎳合金和鎳粉為化學(xué)純，高純氮氣（99.99%）。

1.2 儀器與設(shè)備

LD4-2 型低速離心機，北京醫(yī)用離心機廠；TGL-16G 型臺式離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠；CP100WX型超速離心機，日本HITACHI；DGF-6030 型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；ALC-310.2 型電子分析天平，北京泰克儀器有限公司；SHB-IIIA 型循環(huán)水多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；HJ-A2 型恒溫磁力攪拌水浴鍋，常州邁科諾儀器有限公司；UV-3600 型紫外-可見分光光度計，日本HITACHI；HR800型顯微激光拉曼光譜儀，法國JY 公司；JEM2100Plus型透射電子顯微鏡，日本電子；SP-300 型電化學(xué)工作站，日本電子。

1.3 方法

1.3.1 SWCNTs 的制備

根據(jù)文獻[20]中方法，利用直流電弧放電法，制備了大直徑SWCNTs 粗品。把內(nèi)徑為6 mm、內(nèi)長為120 mm 的光譜純空心圓柱形石墨棒作為陽極，內(nèi)裝有混合均勻的助長劑FeS、金屬催化劑Ni 粉、合金催化劑YNi2和光譜純碳粉原料。其中各組分質(zhì)量百分數(shù)分別為10、10、30 和50%，陰極為一底面半徑為2 cm、高為2 cm 的圓柱形石墨塊。調(diào)整氦氣壓力為450 T，電流強度為100 A，在整個電弧放電的過程中，陰陽兩極間距離始終保持在0.5 cm 左右，放電結(jié)束后，在電弧室內(nèi)收集片狀和網(wǎng)狀的SWCNTs 粗品（APSWCNTs）。

1.3.2 SWCNTs 的純化

按照文獻[21]中方法，利用傳統(tǒng)的二步法，對APSWCNTs 進行純化。首先在空氣中對AP-SWCNTs 進行高溫灼燒，稱取一定質(zhì)量的AP-SWCNTs 于坩堝內(nèi)，將坩堝置于電阻爐內(nèi)，在溫度365 ℃條件下焙燒1.5 h，在此過程中，大部分無定形碳被去除掉，得到了灼燒后SWCNTs 樣品（APU-SWCNTs）。然后利用1∶1 的濃HCl 對APU-SWCNTs 進行酸化處理，稱取150 mg APU-SWCNTs 于250 mL 圓底燒瓶中，加入150 mL 6 mol·L-1的濃HCl，在水浴溫度50 ℃條件下回流24 h，冷去后傾掉上層黃色溶液，利用0.22 μm聚四氟乙烯油膜對下層樣品進行減壓抽濾，同時利用去離子水對濾膜上樣品進行多次洗滌，直至洗滌液pH 值為中性，在此過程中，大部分金屬催化劑被去除掉，得到鹽酸酸化后的SWCNTs 樣品（HCl-SWCNTs）。最后嘗試利用N′N-二甲基甲酰胺（DMF）對HCl-SWCNTs 進行超聲分散，靜置，傾掉上層土黃色溶液，繼續(xù)加入DMF 進行超聲分散，靜置，直至上層清液無色，在此過程中，進一步去除了HCl-SWCNTs 樣品中可溶于DMF 的碳雜質(zhì)，得到純度較高的水不溶性SWCNTs 樣品（DMF/HCl-SWCNTs）。

1.3.3 SWCNTs 的分散

按照文獻[22]中方法，利用PVP 對純化后的SWC NTs 進行分散研究。取5 mg PVP 加入100 mL 去離子水中，對所得溶液進行超聲分散，待溶液透明后，加入5 mg DMF/HCl-SWCNTs 樣品，在5 ℃下超聲（8 W）分散12 h（每工作20 s 休息10 s）后，將此分散液裝入離心管，置于高速離心機中，在轉(zhuǎn)速為2 500 rpm、溫度為10 ℃條件下離心1 h，用注射器小心取出上層80%溶液，得到分散后的SWCNTs 樣品（PVPSWCNTs）。

1.3.4 三電極工作體系的構(gòu)建

按照文獻[23]中方法，配制了100 mL pH=7.4 的PBS 緩沖溶液，把一定質(zhì)量的六氰合鐵酸鉀加入該緩沖溶液中，得到了含有氧化還原電對Fe（III）/Fe（II）的緩沖溶液。利用α-Al2O3拋光粉對玻碳電極進行打磨拋光至鏡面，依次用酒精和去離子水超聲洗滌玻碳電極，隨后用高純氮氣把玻碳電極吹干，得到了表面潔凈的玻碳電極，放置備用。用微量注射器把分散后的PVP-SWCNTs 分散液小心滴加在玻碳工作電極上，得到了修飾有PVP-SWCNTs 的工作電極，放置干燥。然后將輔助電極（鉑絲電極）、參比電極（飽和甘汞電極）和修飾有PVP-SWCNTs 的工作電極放入上述備好的具有氧化還原電對的PBS 緩沖溶液中，得到了三電極工作體系。利用電化學(xué)工作站測試修飾有PVP-SWCNTs 的工作電極的循環(huán)伏安特性，考察所得水中可分散高純度SWCNTs 的電子傳遞情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 SWCNTs 的純化

SWCNTs 的形貌可以用高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）來觀察。圖1 是經(jīng)過不同方法處理后的SWCNTs 的TEM 圖像，其中（a）圖是APU-SWCNTs的TEM 圖像，可以看到，整個圖像非常模糊，隱約看到有SWCNTs 管束分布在大量的金屬催化劑和碳顆粒之間；（b）圖是HCl-SWCNTs 的TEM 圖像，可以看到，（b）圖較（a）圖更為清晰，可以看到大量的SWCNTs 管束，這說明經(jīng)過鹽酸的酸化處理，樣品中大量的金屬催化劑被有效除去；（c）圖是DMF/HCl-SWCNTs 的TEM 圖像，可以看到，（c）圖較（b）圖而言，（c）圖中的SWCNTs 管束更加清晰可見，說明經(jīng)有機溶劑DMF 處理后，進一步去除了HCl-SWCNTs 樣品中一部分可溶于DMF 的碳雜質(zhì)；（d）圖是PVP-SWCNTs 的TEM 圖像，可以看到，（d）圖同（c）圖相比，（d）圖中的雜質(zhì)碳顆粒進一步減少，可以觀察到更加清晰的SWCNTs 管束，說明利用PVP 對SWCNTs 進行一系列的分散處理、高速離心分離后，進一步有效去除了樣品中包括催化劑金屬顆粒，非晶態(tài)碳和石墨顆粒等大部分雜質(zhì)。從純化的角度分析，經(jīng)過以上的氣相熱處理、液相酸處理、液相有機溶劑的選擇性溶解處理和液相聚合物的分散離心處理后，得到了純度較高的電弧放電法制備的SWCNTs 樣品。

共振拉曼光譜是另一種表征SWCNTs 樣品的重要手段[24]，SWCNTs 樣品的共振拉曼光譜主要有3 處振動模，一個是位于100～300 cm-1處的徑向呼吸振動（RBM）峰，RBM 峰是SWCNTs 的特征振動峰，它和SWCNTs 的被分散程度有關(guān)。第二個是位于1 330～1 360 cm-1區(qū)域的D 模，最后一個是位于1 570～1 600 cm-1處的G 峰，其中G 峰和D 峰峰強的比值和SWCNTs 的純化程度有關(guān)[19]。據(jù)此，在激發(fā)波長為633 nm 條件下，我們對SWCNTs 分散液樣品進行了共振拉曼測試，并對測試數(shù)據(jù)進行歸一化處理，結(jié)果如圖2 所示，可以看到，利用不同方式處理后SWCNTs 的G 峰皆位于1 580 cm-1左右，D 峰皆位于1 350 cm-1左右，并比較了各步純化后G 模和D 模的振動峰峰強度比值IG/ID的大小，發(fā)現(xiàn)每步純化后的IG/ID值都有所增大，其中曲線a（AP-SWCNTs）的IG/ID值為5.9，曲線b（APU-SWCNTs）的IG/ID值為9.1，曲線c（HCl-SWCNTs）的IG/ID值為10.1，曲線d（DMF/HCl-SWCNTs）的IG/ID值為11.6，曲線e（PVPSWCNTs）的IG/ID值為比值12.9。從純化的角度分析，經(jīng)過以上的氣相熱處理、液相酸處理、液相有機溶劑的選擇性溶解處理和液相聚合物的分散離心處理后，得到了純度較高的電弧放電法制備的SWCNTs。這與純化前后TEM 的表征結(jié)果一致。

圖1 （a）APU-SWCNTs、（b）HCl-SWCNTs、（c）DMF/HCl-SWCNTs 和（d）PVP-SWCNTs 的TEM 圖像Fig.1 TEM images of（a）APU-SWCNTs，（b）HCl-SWCNTs，（c）DMF/HCl-SWCNTs and（d）PVP-SWCNTs

圖2 （a）AP-SWCNTs、（b）APU-SWCNTs、（c）HCl-SWCNTs、（d）DMF/HCl-SWCNTs 和（e）PVP-SWCNTs 在波數(shù)1 200～1 700 cm-1 的Raman 光譜圖Fig.2 Raman spectra of（a）AP-SWCNTs，（b）APU-SWCNTs，（c）HCl-SWCNTs，（d）DMF/HCl-SWCNTs and（e）PVP-SWCNTs at 1 200～1 700 cm-1

2.2 SWCNTs 的分散

Kataura[25]和Oconnell[26]分別考察了單分散的SWCNTs 和SWCNTs 管束的紫外—可見—近紅外吸收情況，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性不同的SWCNTs 在不同波長處吸收強度有明顯的不同，且單分散的SWCNTs 的光譜吸收曲線較SWCNTs 管束的光譜吸收曲線相比，會表現(xiàn)出向低波長藍移的現(xiàn)象。據(jù)此，我們對SWCNTs 樣品進行吸收光譜分析，并對分析數(shù)據(jù)進行歸一化處理，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 （a）AP-SWCNTs、（b）APU-SWCNTs、（c）HCl-SWCNTs、（d）DMF/HCl-SWCNTs 和（e）PVP-SWCNTs 的vis-NIR 光譜圖Fig.3 Vis-NIR spectra of（a）AP-SWCNTs，（b）APU-SWCNTs，（c）HCl-SWCNTs，（d）DMF/HCl-SWCNTs and（e）PVP-SWCNTs

m-SWCNTs 第一間帶電子躍遷的M11峰出現(xiàn)在波長600～800 nm 之間，s-SWCNTs 的S22吸收峰出現(xiàn)在800～1 200 nm 之間，s-SWCNTs 的S33和S44吸收峰出現(xiàn)在400～600 nm 之間。其中曲線（a）為APSWCNTs 的吸收曲線，可以看到在963 nm（峰強為0.30）和1 031 nm（峰強為0.27）處有兩個較小的吸收峰，曲線（b）為APU-SWCNTs 的吸收曲線，可以看到在961 nm（峰強為0.39）和1 028 nm（峰強為0.37）處有兩個較小的吸收峰，可以發(fā)現(xiàn)，曲線（b）較曲線（a）而言，吸收峰強度增強了0.09～0.1，說明SWCNTs 樣品經(jīng)高溫灼燒后，除去了其中大部分的無定形碳雜質(zhì)，SWCNTs 樣品純度有所提高，且吸收峰位置發(fā)生了2～3 nm 的藍移，進一步說明SWCNTs 樣品的可分散性提高了。曲線（c）為HCl-SWCNTs 的吸收曲線，可以看到在965 nm（峰強為0.43）和1 033 nm（峰強為0.41）處有兩個較小的吸收峰，可以發(fā)現(xiàn)，曲線（c）較曲線（b）而言，吸收峰強度增強了0.03～0.04，說明SWCNTs 樣品經(jīng)鹽酸酸化后，除去了其中大部分的金屬催化劑雜質(zhì)，SWCNTs 樣品純度有所提高，而吸收峰位置發(fā)生了4～5 nm 的紅移，這是由于SWCNTs 管束之間存在范德華力，隨著SWCNTs 樣品中雜質(zhì)越來越少，其純度越來越高，SWCNTs 管束越來越大所致[19，23]。曲線（d）為DMF/HCl-SWCNTs 的吸收曲線，可以看到在965 nm（峰強為0.46）和1 033 nm（峰強為0.45）處有兩個較小的吸收峰，可以發(fā)現(xiàn)，曲線（d）較曲線（c）而言，吸收峰強度增強了0.03～0.04，說明SWCNTs 樣品經(jīng)DMF 處理后，進一步除去了其中部分可溶于DMF 的碳雜質(zhì)，進一步提高了SWCNTs 樣品的純度。曲線（e）為PVP-SWCNTs 的吸收曲線，可以看到在943 nm（峰強為0.67）和1 013 nm（峰強為0.80）處有兩個較大的吸收峰，可以發(fā)現(xiàn)，曲線（e）較曲線（d）而言，吸收峰強度增強了0.21～0.35，說明SWCNTs 樣品經(jīng)PVP 分散離心后，進一步有效除去了包括催化劑金屬顆粒，非晶態(tài)碳和石墨顆粒等雜質(zhì)，SWCNTs 樣品純度大幅提高，同時吸收峰位置發(fā)生了20～22 nm 的藍移，吸收峰位置發(fā)生大幅度藍移是SWCNTs 被PVP 水溶液有效分散的有力證明。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，曲線e 不僅在800～1 200 nm 之間存在峰強更高的S22吸收峰，還在600～800 nm 之間出現(xiàn)了分表率較高的M11吸收峰，并且在波長較小的400～600 nm 之間出現(xiàn)了分辨率較高的S33和S44吸收峰。這是由于SWCNTs 在PVP 水溶液中的可分散性明顯提高所致，實現(xiàn)了電弧放電法所得大直徑SWCNTs 在水中的可分散性，得到了純度較高的水中可分散的SWCNTs 穩(wěn)定分散液。

據(jù)文獻報道[23，27]，對于SWCNTs 管束，其拉曼位移（ωRBM）與其直徑（dt）成反比關(guān)系，可表示為：ωRBM=A/dt+B，其中常數(shù)A=234 cm-1，常數(shù)B=10 cm-1，即等式可表示為：ωRBM=234/d+10，另據(jù)文獻報道[28]，對于SWCNTs 的穩(wěn)定分散液而言，等式ωRBM=A/dt+B 中的常數(shù)A=248 cm-1，常數(shù)B=0，其反比關(guān)系可表示為：ωRBM=248/d。因此，可以根據(jù)SWCNTs 分散液拉曼位移的變化來判斷SWCNTs 的被分散情況。據(jù)此，為了進一步考察PVP 對SWCNTs 的分散行為，在激發(fā)波長為633 nm 條件下，對DMF/HCl-SWCNTs 和PVP-SWCNTs 的分散液進行了拉曼測試?？疾炝薉MF/HCl-SWCNTs 和PVP-SWCNTs 分散液在100～300 cm-1范圍內(nèi)的徑向呼吸振動行為。

圖4 是DMF/HCl-SWCNTs 和PVP-SWCNTs 分散液在波數(shù)100～300 cm-1歸一化后的拉曼光譜圖。其中曲線a 是DMF/HCl-SWCNTs 分散液的拉曼振動圖，曲線b 是PVP-SWCNTs 分散液的拉曼振動圖。發(fā)現(xiàn)曲線b 較曲線a 發(fā)生了明顯的藍移，這是因為SWCNTs 被PVP 水溶液分散前后的共振條件發(fā)生了變化，說明經(jīng)PVP 水溶液分散后，SWCNTs 的管束變小，即由于PVP 的加入，起到了有效分散SWCNTs 的作用，這與可見近紅外光譜分析結(jié)果相一致。

圖4 （a）DMF/HCl-SWCNTs 和（b）PVP-SWCNTs在波數(shù)100～300 cm-1 的Raman 光譜圖Fig.4 Raman spectra of（a）DMF/HCl-SWCNTs and（b）PVP-SWCNTs at 100～300 cm-1

2.3 SWCNTs 的循環(huán)伏安曲線測試

水中可分散高純度SWCNTs 較成束的SWCNTs相比，其電子傳遞能力會增強，在傳感器設(shè)計中應(yīng)用廣泛[4，19，29-30]。實驗中利用分散前后的SWCNTs 樣品對裸玻碳電極進行修飾，通過分析修飾后的玻碳電極的循環(huán)伏安譜，考察分散前后的SWCNTs 樣品對三電極體系電子傳遞能力的影響。

圖5 中曲線a 為DMF/HCl-SWCNTs 修飾裸玻電極在含有氧化還原電對Fe（III）/Fe（II）的PBS 緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線（掃速100 mV·s-1），曲線b 為PVP-SWCNTs 修飾裸玻電極在含有氧化還原電對Fe（III）/Fe（II）的PBS 緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線（掃速100 mV·s-1）?？梢郧宄赜^察到曲線b 的氧化還原峰的峰電位差值（0.45 V）明顯小于曲線a 的氧化還原電流峰電位差值（0.68 V），且曲線b 的峰面積也明顯大于曲線a 的峰面積。說明經(jīng)PVP-SWCNTs 修飾裸玻電極后，該工作電極的電子傳輸速度加快了。這是由于SWCNTs 自身結(jié)構(gòu)具有多孔性的特點，很容易理解，較DMF/HCl-SWCNTs 而言，經(jīng)PVP 水溶液分散后的SWCNTs 的孔表面積明顯增大，故經(jīng)PVP-SWCNTs 修飾后的工作電極表面呈現(xiàn)出更好的多孔性結(jié)構(gòu)，從而使修飾后的工作電極傳質(zhì)效果有所提高[19]。因此，可以說明經(jīng)PVP 分散后，SWCNTs 分散液的導(dǎo)電性能有所提高。進一步證明了經(jīng)PVP 水溶液作用后，SWCNTs 在水溶液中的可分散性明顯提高了。故方法制備的水可分散SWCNTs 在電化學(xué)領(lǐng)域里具有潛在的研究價值。

圖5 （a）DMF/HCl-SWCNTs-GCE 和（b）PVP-SWCNTs-GCE 的循環(huán)伏安曲線Fig.5 Cyclic voltammetry curve of（a）DMF/HCl-SWCNTs-GCE and（b）PVP-SWCNTs-GCE

3 討論

由于水中可分散SWCNTs 在眾多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，所以高純度水中可分散SWCNTs 的制備是一項有意義的工作。制備SWCNTs 方法有高溫激光灼燒法、低溫化學(xué)氣相沉積法和高溫直流電弧放電法等[7]，其中利用高溫激光灼燒法和低溫化學(xué)氣相沉積法制備的SWCNTs 產(chǎn)率較高，但缺陷較多，影響SWCNTs的應(yīng)用，而高溫直流電弧放電法所制備的SWCNTs產(chǎn)率較低，雜質(zhì)較多，但SWCNTs 管壁較完美，利于SWCNTs 在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此試驗選擇利用電弧放電法制備了大直徑的SWCNTs 粗品。

在對SWCNTs 粗品進行純化處理時，試驗中除了利用傳統(tǒng)的空氣灼燒和酸化處理外，同時還嘗試了利用DMF 對HCl-SWCNTs 樣品進行選擇性溶解處理，發(fā)現(xiàn)利用有機溶劑DMF 浸泡過的HCl-SWCNTs 樣品的純度進一步提高了?？梢哉f此法為SWCNTs 的純化提供了另一種思路，即可嘗試選用某些有機溶劑對SWCNTs 樣品進行超聲處理，讓某些碳雜質(zhì)溶于此有機溶劑中，達到提純SWCNTs 的目的。實驗后續(xù)將進一步嘗試利用其他有機溶劑對HCl-SWCNTs 樣品進行純化處理，考察其純化情況。

大量的文獻顯示[12-17]，在對SWCNTs 的分散這一問題的處理上，很多研究工作者都傾向于先利用有機合成的方法，合成出某些具有大量π 電子的化合物，然后再利用此類化合物對SWCNTs 進行分散處理，此類化合物中的π 電子與SWCNTs 中的π 電子會形成π-π 非共價鍵，從而使成束的SWCNTs 得以分散。此類方法的優(yōu)點是經(jīng)設(shè)計合成的某些化合物能選擇性的分散出s-SWCNTs 或m-SWCNTs，缺點是在合成試驗過程中，對實驗條件的要求較為苛刻，同時對所合成產(chǎn)物的純化處理時，其過程較為復(fù)雜。Alghunaim 等[18]把SWCNTs 分散于PVP 中，得到穩(wěn)定的分散液，并進一步對制備的薄膜進行了研究，透射電鏡顯示，SWCNTs 在聚乙烯醇基體中分布良好，但并沒有利用光譜對分散液的分散情況進行討論，因此，試驗中嘗試了利用較為廉價的、環(huán)境友好型的PVP 對SWCNTs 進行分散處理，然后對分散液進行了光譜學(xué)表征，紫外—可見—近紅外光譜和拉曼光譜證實了PVP 對SWCNTs 有良好的分散效果。

4 結(jié)論

利用電弧放電法制備了SWCNTs 粗品。經(jīng)灼燒、酸化和在有機溶劑中選擇性溶解處理后，獲得了純度較高的SWCNTs 樣品。在超聲破碎輔助下把純化后SWCNTs 樣品分散在PVP 水溶液中，經(jīng)過離心分離，得到了在水中可分散的SWCNTs 分散液。在利用PVP 對SWCNTs 進行分散時，PVP 與SWCNTs 形成了σ-π 或p-π 非共價鍵，削弱了SWCNTs 管束之間的范德華力，使SWCNTs 管束變小，實現(xiàn)了SWCNTs 在PVP 水溶液中的可分散性。因PVP 主鏈上存在多個σ 鍵，在超聲破碎作用下，當其對SWCNTs 進行分散時，流動性較大的σ 電子與SWCNTs 側(cè)壁大量的π 鍵形成了σ-π 非共價鍵，同時PVP 側(cè)鏈羥基氧的孤對電子與SWCNTs形成了p-π 非共價鍵，進一步破壞了SWCNTs 之間的范德華力，使SWCNTs 管束變小，實現(xiàn)了SWCNTs 在PVP 水溶液中的可分散性。因此，實驗為得到在水中可分散的高純度SWCNTs 提供了一種可行性的辦法。利用電化學(xué)工作站考察了經(jīng)PVP 分散前后SWCNTs 分散液的CV 曲線，進一步證明了經(jīng)PVP 分散后SWCNTs 分散液具有良好的導(dǎo)電性能，故水可分散高純度的SWCNTs 在電化學(xué)領(lǐng)域里具有潛在的研究價值。