芘基分子钳高效、宏量分离单壁碳纳米管的研究

As-produced single-walled carbon nanotubes (SWNTs) are mostly metallic and semiconducting mixtures. The population of semiconducting SWNTs in the as-produced mixtures is generally much higher than that of their metallic counterparts. Therefore, post-production separation of metallic and semiconducting SWNTs is important to many potential uses of the nanotubes, especially those demanding higher electrical conductivity yet lower optical absorption. Since pyrene was known to have somewhat different interactions with metallic and semiconducting SWNTs, in this proposal a series of molecules with a pair of such a planar aromatic moieties, molecular tweezers, will be specifically designed and synthesized to exaggerate the difference in its noncovalent functionalization and solubilization of the two types of nanotubes. As demonstrated, the molecule exhibited significant selectivity toward semiconducting SWNTs in the solubilization to allow the convenient harvesting of bulk metallic and semiconducting fractions in high purities. Molecular tweezers may represent a new class of agents for more effective and also relatively simple post-production bulk separation of metallic and semiconducting SWNTs.

单壁碳纳米管由金属型和半导体型单壁碳纳米管组成，金属型碳纳米管是制备纳米导线、电池电极和超级电容器的理想材料，而半导体型碳纳米管则是制备场效应晶体管等纳米半导体器件的优良材料，二者的混合会极大的影响其电学性能，限制其在电子领域的应用，对金属型和半导体型碳纳米管的分离是碳纳米管技术实用化的关键。本项目利用芳烃分子可通过非共价键力与碳纳米管相互作用的特性，以芘分子为核心，设计、合成一系列具有特殊夹角的双核分子- - - - 分子钳。这类具有特殊结构的分子钳对半导体型纳米管具有单一、定向选择性，可以从金属型和半导体型纳米管的混合物中 "挑拣"半导体型纳米管，从而实现金属型和半导体型碳纳米管高效分离的目的，并阐述分子钳对碳纳米管的分离机理。分子钳的提出开辟了芳烃分子对单壁碳纳米管定向选择的新思路，有望成为新一代高效分离剂，对碳纳米管的研究具有深远的影响。

单壁碳纳米管由金属型和半导体型单壁碳纳米管组成，二者在导电性，导热性，电子迁移率，电荷存储，荧光等方面有着截然不同的表现，然而目前生产单壁碳纳米管的方法，所得均为金属型和半导体型单壁碳纳米管的混合物。二者的混合会大大影响其本征性能，限制了单壁碳纳米管在多个领域下的应用前景，因此，单壁碳纳米管的分离，被认为是碳纳米管科技实用化的关键。本项目利用富电子分子可以选择性的与半导体型单壁碳纳米管结合，而不易与金属型单壁碳纳米管结合的特点，设计，合成了一类具有特殊夹角的分子－－分子钳，包括萘酚类，蒽类，芘类等。这一类分子可以以较高的选择性，定向得与半导体型单壁碳纳米管结合，通过离心等手段，实现半导体型与金属型的高效分离。其中萘酚类分子钳表现出最好的分离效果，所得半导体型单壁碳纳米管的纯度可达96%以上，金属型单壁碳纳米管的纯度可达90%以上。同时，我们首次将这一方法分离碳纳米管的机理与其电化学性能这两个不同的性能表现进行了原理上的统一，我们提出了半导体型单壁碳纳米管向金属型单壁碳纳米管转变的方法，通过电化学方法的表征，证明经过富电子的有机小分子功能化的半导体型单壁碳纳米管表现出了与金属型单壁碳纳米管相似的电化学性能。本项目在提供了一类对单壁碳纳米管具有良好分离效果的方法的同时，提出了半导体型单壁碳纳米管向金属型单壁碳纳米管电催化性能转变的方法。对于单壁碳纳米管的进一步应该有着重大的意义。