单一导电性单壁碳纳米管晶体的化学功能化-自组装制备法

单壁碳纳米管晶体是由均匀而有序的纳米管构成的三维纳米结构，无论是作为特殊机械性能的结构材料，还是作为可能突破Moore定律限制的纳米电子元件等功能材料，人们预期它们都将呈现出许多不同于单分散性或无序化单壁碳纳米管的许多奇异特性。本课题拟在金属性和半导体性单壁碳纳米管有效分离的基础上，通过化学功能化和超速离心处理将碳纳米管单根地分散在水和有机溶剂中；采用溶剂扩散法和慢蒸发溶剂法等晶体生长技术自组装具有单一导电性的单壁碳纳米管晶体；通过对碳纳米管晶体结构的解析，阐明它们是否是由具有相同直径和相同螺旋角的纳米管所构成的科学问题；通过对碳纳米管晶体的力学、电学、光学和磁学等各向异性能的系统研究，开展将它们用作场效应晶体管和场发射电子枪的研究，探索将它们用做新型光子晶体材料、非线性光学材料和压电材料的可能性。本项目的特色与创新之处在于为单一导电性单壁碳纳米管晶体的生长开辟了一条新颖又可行的研究路线。

本课题利用电弧放电法大量地合成了单壁碳纳米管，并通过选择镍基稀土合金催化剂以及二次电弧放电两个途径达到了调控碳纳米管直径分布的目的。 粗制的单壁碳纳米管中含有许多杂质需要提纯处理，另一方面，为分离出单一导电性的单壁碳纳米管，需要将碳纳米管的管束打开获得单分散性的单壁碳纳米管。我们将碳纳米管的提纯和分散结合起来，通过表面活性剂辅助分散和超速离心分离的方法得到高纯度单分散的单壁碳纳米管分散液。 . 在优化了实验条件下，我们通过密度梯度分离法获得了纯度达到 68.5%的金属性单壁碳纳米管和纯度达到了98%的半导性单壁碳纳米管。电化学的分析研表明，s-SWNTs，m-SWNTs修饰电极对[Fe(CN)6]3−/4−产生了良好的电化学催化作用，并且m-SWNTs修饰电极比s-SWNTs修饰电极具有更高的电容以及更优异的电化学活性。. 采用慢蒸发溶剂的方法， 从单壁碳纳米管的表面活性剂分散液中制备了单壁碳纳米管晶体,其长度在1微米以上，直径在25纳米左右，表面洁净光滑，呈准直线型，具有很好地刚性。在单壁碳纳米管晶体的XRD图谱中，2θ值为5.8-6º度之间的衍射峰以及2θ值大约为10º、12º、16º、20º处呈现的四个小的衍射峰，证明了单根的单壁碳纳米管平行排列形成了三角晶格。. 在电解质溶液中基于铜离子在单壁碳纳米管（SWNTs）上的吸附，通过一步电沉积过程在铟掺杂的氧化锡（ITO）的基板上成功制备了铜/碳纳米管/ITO纳米复合薄膜电极，并应用于非酶葡萄糖传感器的构筑。该传感器的线性范围为1×10–6到6×10–4 mol／L，响应时间在2秒之内。特别是，它的灵敏度达到1μA•L•mmol–1•cm–2，优于任何其他已见报道的基于铜碳纳米管电极的非酶葡萄糖生物传感器。. 利用富集金属性单壁碳纳米管的样品制备了DNA/met-SWNTs/GCE复合电极,并用于检测Pb2+浓度。其检测限为4.1×10-10 mol L1，低于荧光法和电气生物传感器相。通过对其它金属离子的检测结果可知，此传感器对Pb2+有很高的选择性。检测结果与用GF-AAS所得到的一致，表明此传感器可靠性强，准确性高，并且这种方法简单，成本较低。