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提高选择性分散半导体纳米管产率的方法及试剂

阅读:1032发布:2020-06-07

专利汇可以提供提高选择性分散半导体纳米管产率的方法及试剂专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种提高选择性分散 半导体 性 碳 纳米管 产率的方法及 试剂 。所述方法包括:将单壁 碳纳米管 样品、第一 聚合物 和第二聚合物于 溶剂 中均匀混合形成液相混合体系,并使 单壁碳纳米管 样品在液相混合体系中充分分散,之后对液相混合体系离心处理,分离上清液,实现半导体性单壁碳纳米管的选择性分离;第一聚合物和第二聚合物均能与半导体性单壁碳纳米管特异性结合,且第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度大于第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度,而结合强度小于第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度。本发明可实现高产量、高纯度、高分散性的半导体性单壁碳纳米管的选择性分离,降低了成本,提高了分离的重复性和 稳定性 。,下面是提高选择性分散半导体纳米管产率的方法及试剂专利的具体信息内容。

1.一种提高选择性分散半导体纳米管产率的方法,其特征在于包括:
将单壁碳纳米管样品、第一聚合物和第二聚合物于溶剂中均匀混合形成液相混合体系,并使单壁碳纳米管样品在所述液相混合体系中充分分散,之后对所述液相混合体系进行离心处理,分离出上清液,实现半导体性单壁碳纳米管的选择性分离;
其中,所述第一聚合物和第二聚合物均能溶于所述溶剂,并均能与半导体性单壁碳纳米管特异性结合,且所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度大于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度,而所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度小于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度。
2.根据权利要求1所述的提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,其特征在于:
所述第一聚合物包括聚咔唑、聚芴中的任意一种;和/或,所述第二聚合物包括聚噻吩、芴与噻吩共聚物中的任意一种;和/或,所述第一聚合物和第二聚合物的质量比为0.5~2.0:1。
3.根据权利要求1所述的提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,其特征在于:
所述单壁碳纳米管样品包含金属性单壁碳纳米管和半导体性单壁碳纳米管。
4.根据权利要求3所述的提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,其特征在于:
所述第一聚合物、第二聚合物与单壁碳纳米管样品三者的质量比为4:2:1~2:4:1。
5.根据权利要求1所述的提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,其特征在于:
所述溶剂包括非极性溶剂,所述非极性溶剂包括甲苯、环己烷中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,其特征在于:
所述第一聚合物和第二聚合物在所述液相混合体系中的浓度为0.2~1.0mg/ml。
7.根据权利要求1所述的提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,其特征在于包括:对所述液相混合体系进行超声处理,使单壁碳纳米管样品在所述液相混合体系中充分分散;所述超声处理的温度为5~20℃,功率为3~10W/ml,时间为0.5~2h。
8.根据权利要求1所述的提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,其特征在于,所述离心处理的条件包括:离心速度为20000~100000g,时间为0.5~2h。
9.根据权利要求1所述的提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,其特征在于:
所述上清液中所含半导体性单壁碳纳米管的纯度为99%~99.9%。
10.一种半导体性碳纳米管的选择性分离试剂,其特征在于包含能够在选定液相环境中与半导体性单壁碳纳米管特异性结合的第一聚合物和第二聚合物,且所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度大于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度,而所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度小于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度;所述选定液相环境包括第一聚合物和第二聚合物的混合溶液。
11.根据权利要求10所述的半导体性碳纳米管的选择性分离试剂,其特征在于:所述第一聚合物包括聚咔唑、聚芴中的任一种;和/或,所述第二聚合物包括聚噻吩、芴与噻吩的共聚物中的任一种;和/或,所述第一聚合物和第二聚合物的质量比为0.5~2.0:1。

说明书全文

提高选择性分散半导体纳米管产率的方法及试剂

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体性单壁碳纳米管的分离方法,尤其涉及一种提高选择性分散半导体性单壁碳纳米管产率的方法,属于碳纳米管技术领域。

背景技术

[0002] 碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)是1991年才被发现的一种新型碳结构,是由碳原子形成的石墨片层卷成的管体。碳纳米管直径很小,长径比大,被视为准一维纳米材料。由于碳纳米管具有优异的电学性能、超强的学性能,因此在材料领域引起了极大的重视。
[0003] 而单壁碳纳米管(SWCNTs)因具有优异的电学性质,在电子领域有广泛的应用前景,是下一代集成电路半导体材料的重要候选材料。通常合成的单壁碳纳米管(SWCNTs)是金属性单壁碳纳米管(m-SWCNTs)和半导体性单壁碳纳米管(s-SWCNTs)的混合物,这严重阻碍了半导体性单壁碳纳米管的应用,因此如何从单壁碳纳米管中进行半导体单壁碳管的高效分离变得尤为重要。
[0004] 目前的分离方法主要包括柱色谱分离法,超高速梯度密度离心法,双相萃取法和选择性分散法。其中选择性分散由于其简单的操作,超高的半导体纯度和对单壁碳管较低的损耗等特点,得到了快速的发展,但是低产率是这种方法的瓶颈之一。
[0005] 目前还有的方法是利用单一聚噻吩或单一聚咔唑选择性分散并分离单壁碳纳米管,但是采用单一聚噻吩的方法获得的半导体性单壁碳纳米管,虽然产率高但是纯度低;而采用单一聚咔唑的方法获得的半导体性单壁碳纳米管,虽然纯度高,但是产率较低。
[0006] 因而,根据现有碳纳米管分离方法存在的缺点,如何进一步加以改进,实现高产量高纯度的半导体性单壁碳纳米管分离,成为目前业界研发人员新的研究方向。

发明内容

[0007] 本发明的主要目的在于提供一种提高选择性分散半导体性单壁碳纳米管产率的方法及试剂,以克服现有技术中的不足。
[0008] 为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
[0009] 本发明实施例提供了一种提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,包括:
[0010] 将单壁碳纳米管样品、第一聚合物和第二聚合物于溶剂中均匀混合形成液相混合体系,并使单壁碳纳米管样品在所述液相混合体系中充分分散,之后对所述液相混合体系进行离心处理,分离出上清液,实现半导体性单壁碳纳米管的选择性分离;
[0011] 其中,所述第一聚合物和第二聚合物均能溶于所述溶剂,并均能与半导体性单壁碳纳米管特异性结合,且所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度大于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度,而所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度小于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度。
[0012] 较为优选的,所述第一聚合物包括聚咔唑(PCO),聚芴等,但不限于此。
[0013] 较为优选的,所述第二聚合物包括聚噻吩(rr-P3DDT)、芴和噻吩共聚物等,但不限于此。
[0014] 较为优选的,所述第一聚合物和第二聚合物的质量比为0.5~2.0:1。
[0015] 本发明实施例还提供了一种半导体性碳纳米管的选择性分离试剂,其包含能够在选定液相环境中与半导体性单壁碳纳米管特异性结合的第一聚合物和第二聚合物,且所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度大于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度,而所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度小于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度;所述选定液相环境包括第一聚合物和第二聚合物的混合溶液。
[0016] 与现有技术相比,本发明的优点包括:
[0017] 1.本发明提供的提高选择性分散半导体性单壁碳纳米管产率的方法,通过设计双聚合物体系,从分散过程的动力学度出发,采用特殊的两种或多种聚合物组合分散单壁碳纳米管的方法,可实现高产量、高纯度、高分散性的半导体性单壁碳纳米管分离;
[0018] 2.本发明提供的提高选择性分散半导体性单壁碳纳米管产率的方法,产率高,大大降低了选择性分离半导体性单壁碳纳米管的成本,提高了分离的重复性和稳定性
[0019] 3.本发明提供的半导体性碳纳米管的选择性分离试剂主要是一种双聚合物体系,其原料来源广泛,并能应用于高产量、高纯度、高分散性的半导体性单壁碳纳米管高效的选择性分离;
[0020] 4.本发明获得的高纯度半导体性单壁碳纳米管可以用于制备高性能的电子器件。附图说明
[0021] 图1分别为PCO、rr-P3DDT和PCO/rr-P3DD混合物分散分离单壁碳纳米管的吸收光谱图;
[0022] 图2分别为单壁碳纳米管、经PCO、rr-P3DDT和PCO/rr-P3DD混合物分散分离单壁碳纳米管的拉曼光谱图;
[0023] 图3分别为PFO、rr-P3DDT和PFO/rr-P3DD混合物分散分离单壁碳纳米管的吸收光谱图。

具体实施方式

[0024] 鉴于现有技术中的不足,本案发明人经长期研究和大量实践,得以提出本发明的技术方案,其主要是一种提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,通过设计双聚合物体系,从分散过程的动力学角度出发,采用特殊的两种聚合物组合分散单壁碳纳米管的方法,同时实现高产量高纯度的半导体性单壁碳纳米管分离。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0025] 本发明实施例的一个方面提供了一种提高选择性分散半导体性碳纳米管产率的方法,包括:
[0026] 将单壁碳纳米管样品、第一聚合物和第二聚合物于溶剂中均匀混合形成液相混合体系,并使单壁碳纳米管样品在所述液相混合体系中充分分散,之后对所述液相混合体系进行离心处理,分离出上清液,实现半导体性单壁碳纳米管的选择性分离;
[0027] 其中,所述第一聚合物和第二聚合物均能溶于所述溶剂,并均能与半导体性单壁碳纳米管特异性结合,且所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度大于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度,而所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度小于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度。
[0028] 本发明采用两种或多种聚合物的组合,并利用这些聚合物在作为分散剂时与半导体性单壁碳纳米管结合速度和结合能力的差异性,例如其中一种分散剂与单壁碳管有更强的相互作用,另一种分散剂具有更快的包覆速率,实现了高纯度半导体性单壁碳纳米管的高产率制备(亦可认为是高效率的、高选择性分离),能够大大降低选择性分离半导体性单壁碳纳米管的成本,提高分离的重复性和稳定性。
[0029] 其中,所述第一聚合物可优选自但不限于聚咔唑(PCO),聚芴等较为刚性的分子,其与碳纳米管的结合能力弱于第二聚合物。
[0030] 较为优选的,所述第二聚合物可优选自但不限于聚噻吩(rr-P3DDT)、芴和噻吩共聚物等等较为柔性的分子,其与碳纳米管的结合能力强于第一聚合物。
[0031] 较为优选的,所述第一聚合物和第二聚合物的质量比为0.5~2.0:1。
[0032] 在一些实施例中,所述单壁碳纳米管样品包含金属性单壁碳纳米管和半导体性单壁碳纳米管。
[0033] 更为优选的,所述第一聚合物和第二聚合物与单壁碳纳米管样品三者的质量比为4:2:1~2:4:1。
[0034] 具体的,所述溶剂包括甲苯、环己烷等非极性溶剂,但不限于此。
[0035] 作为优选实施方案之一,所述第一聚合物和第二聚合物在所述液相混合体系中的浓度为0.2~1.0mg/ml。
[0036] 优选的,所述方法还包括:对所述液相混合体系进行超声处理,使单壁碳纳米管样品在所述液相混合体系中充分分散;所述超声处理的温度为5~20℃,功率为3~10W/ml,时间为0.5~2h。
[0037] 优选的,所述离心处理的条件包括:离心速度为20000~100000g,时间为0.5~2h。
[0038] 优选的,所述上清液中所含半导体性单壁碳纳米管的纯度为90%以上,更优选的纯度为99%~99.9%。
[0039] 本发明实施例的另一个方面提供了一种半导体性碳纳米管的选择性分离试剂,其包含能够在选定液相环境中与半导体性单壁碳纳米管特异性结合的第一聚合物和第二聚合物,且所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度大于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合速度,而所述第一聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度小于所述第二聚合物与半导体性单壁碳纳米管的结合强度;所述选定液相环境包括第一聚合物和第二聚合物的混合溶液。
[0040] 较为优选的,所述第一聚合物包括聚咔唑(PCO),聚芴等较为刚性的分子,其与半导体性单壁碳纳米管的结合能力弱于第二聚合物。
[0041] 较为优选的,所述第二聚合物包括聚噻吩(rr-P3DDT)、芴与噻吩的共聚物等较为柔性的分子,其与半导体性单壁碳纳米管的结合能力强于第一聚合物。
[0042] 较为优选的,所述第一聚合物与第二聚合物的质量比例范围为0.5~2.0:1。
[0043] 以下结合若干实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
[0044] 实施例1
[0045] 在本实施例中,双聚合物体系选用聚咔唑(PCO)和聚噻吩(rr-P3DDT),其结构式分别为:
[0046]
[0047] (1)将聚咔唑,聚噻吩,单壁碳纳米管样品以2:2:1的比例混合,然后向形成的混合物中加入一定量的甲苯,使得聚咔唑和聚噻吩的浓度为0.5mg/ml;
[0048] (2)将上述混合溶液置于探头超声仪中超声,超声时保持温度在20℃,功率为3~10W/ml,时间为0.5~2h。超声结束后,用离心机以20000-100000g的离心力离心0.5~2h,最后将80%的上清液取出,即可获得纯度大于99%,浓度大于50ug/ml的半导体性单壁碳纳米管溶液。
[0049] 图1分别为PCO、rr-P3DDT和PCO/rr-P3DD混合物分散分离单壁碳纳米管的吸收光谱图;图2分别为单壁碳纳米管、经PCO、rr-P3DDT和PCO/rr-P3DD混合物分散分离单壁碳纳米管的拉曼光谱图。
[0050] 实施例2
[0051] (1)将聚芴,聚噻吩,单壁碳纳米管样品以2:2:1的比例混合,然后向形成的混合物中加入一定量的甲苯,使得聚咔唑和聚噻吩的浓度为0.5mg/ml;
[0052] (2)将上述混合溶液置于探头超声仪中超声,超声时保持温度在20℃,功率为3~10W/ml,时间为0.5~2h。超声结束后,用离心机以20000-100000g的离心力离心0.5~2h,最后将80%的上清液取出,即可获得纯度大于99%,浓度大于50ug/ml的半导体性单壁碳纳米管溶液。
[0053] 图3分别为PFO、rr-P3DDT和PFO/rr-P3DD混合物分散分离单壁碳纳米管的吸收光谱图。
[0054] 此外,本案发明人还参照前述实施例1-2的方案,利用本说明书中述及的其它原料及工艺条件,进行了其它的一系列试验,结果证明,其均能够实现高产量、高纯度的半导体性单壁碳纳米管分离。
[0055] 藉由上述实施例以及附图可得出,本发明通过设计双聚合物体系,从分散过程的动力学角度出发,采用特殊的两种聚合物组合分散单壁碳纳米管,可实现高产量、高纯度的半导体性单壁碳纳米管的高效的选择性分离,大大降低了选择性分离半导体性单壁碳纳米管的成本,提高了分离的重复性和稳定性。
[0056] 应当指出,以上所述的仅是本发明的一些实施方式,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的创造构思的前提下,还可以做出其它变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
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