摘 要：根据化学气相沉积法(CVD)制备的单壁碳纳米管（SWNTs）中所含杂质的性质和特点，采用综合纯化法，将液相氧化、气相氧化、超声、过滤等手段结合对SWNTs 进行纯化。并利用扫描电镜，热重分析和拉曼光谱对纯化前后的SWNTs 进行了表征。研究结果表明，文章采用的综合纯化法可以得到一个较好的纯化效果，纯度可达95%以上。
　　
　　关键词：单壁碳纳米管；纯化；无定形碳；金属催化剂颗粒
　　
　　
　　
　　1 引 言
　　
　　单壁碳纳米管自被发现以来就以其优异的物理化学性能以及广阔的潜在应用吸引了大量研究人员的广泛关注。目前碳纳米管的大量制备已不再困难，常见的制备方法包括电弧法、激光法和化学气相沉积法。但是，不管采用哪种方法制备出的原始样品中都包含了较多的杂质，如金属催化剂颗粒、无定形碳、石墨碳碎片、碳纳米颗粒等。这些杂质的存在，对其性质的研究和应用带来了很多的障碍。因此，碳纳米管的纯化方法就成了碳纳米管研究中的一个主要课题。常见的纯化方法包括物理法，化学法以及综合法，文章根据CVD 法制备的单壁碳纳米管的特点，提出了一种有效且简单的纯化方法，在尽量维持SWNTs 结构的同时，保证纯化的效率。该方法具有可控性、工艺过程简单、破坏力小等优点，提纯样品的纯度达到95%以上。
　　
　　
　　2 实验部分
　　
　　2.1 实验试剂和设备：
　　单壁碳纳米管(购自中科院成都有机所)，5.0μm 聚四氟乙烯膜过滤器，浓HCl，浓HNO3，乙醇（以上试剂均为分析纯）。超声波清洗器（功率200W）；JSM-5900 型扫描电子显微镜；SDTQ600 型失重分析仪（升温速度：10℃/min，空气气氛）；JY HR800 型拉曼光谱(法国JY 公司)。
　　
　　2.2 单壁碳纳米管的纯化过程
　　称取 80mg 的SWNTs 粗品，在研钵中研细后放入圆底烧瓶中，加入浓度为6mol/L 的HCl 50ml，搅拌后放入超声清洗器中超声30 分钟，利用超声波产生的剪切力对SWNTs 进行分散，超声之后发现溶液颜色逐渐变为黄绿色，说明这一步除去了许多样品中的金属催化剂颗粒。接着在该溶液中继续加入2mol/L 的稀硝酸60ml，然后置于恒温磁力搅拌器中，温度设为120℃加热回流2 小时。冷却后，将混合溶液通过微孔膜过滤，再用蒸馏水洗至中性，然后连同滤膜一起放入烘箱烘干。最后将SWNTs 从滤膜上刮到坩埚中，放在马弗炉400℃中焙烧30 分钟。
　　
　　
　　3 结果和讨论
　　
　　3.1 SEM 表征
　　可以看出没有经过纯化处理的SWNTs 里面有很多小的颗粒（包括无定形碳，金属催化剂等）, 很多碳管外部被这些杂质包附着，很难清晰的看到碳管。这是因为，碳纳米管拥有比较大的长径比，且比表面积很大，管间具有很强的范德华力，因而常常出现缠结现象。
　　SWNTs 是用硝酸和盐酸结合处理的，与原样相比，碳管中的杂质少了很多，并且可以清晰地看到很多分散的细而长的SWNTs。说明所得的SWNTs 样品具有较好的结构完整性，即该纯化方法对单壁碳纳米管结构的破坏性小。由此可以看出该处理方法对碳管的纯化效果很好，而且对碳管的破坏也很小。
　　
　　3.2 TG 分析
　　TG 分析是对碳纳米管纯度评价的一个有效手段，我们可以看出，SWNTs最后的残余率由原来的17%下降到4.5%，碳纳米管的纯度接近95%，说明里面的金属杂质已经被大量的去除。另外SWNTs 的失重峰也由原来的443.2℃提高到484.1℃，表明里面的无定形碳已经被大量去除。由此看出，采用盐酸和硝酸的混合物进行纯化处理的效果比较显著。
　　
　　3.3 Raman 分析
　　原样单壁碳纳米管和纯化后的单壁碳纳米管的拉曼光谱图。G带峰和D 带峰的强度比IG / ID 反映了样品中SWNTs 的相对含量和纯度。IG / ID 的比值越大,说明样品中的SWNTs 的相对含量和纯度越大。从图中可以知道IG / ID 的值由原样的8.8 提高到20.2，这表明了单壁碳纳米管的纯度有明显的提高。由于我们采用了较为温和的纯化方法，因而对单壁碳纳米管并没有造成严重的缺陷。
　　
　　
　　4 结 论
　　
　　从 SEM、TG 和Raman 检测结果表明，本文提出的单壁碳纳米综合纯化法，可以有效地去除样品中的无定形碳和金属催化剂颗粒。经此纯化后，SWNTs 可以达到95%的纯度，并且单壁碳纳米管受到的结构破坏小。另外，该纯化方法过程简单，耗时少，可作为实验室中一种常见的SWNTs 的纯化方法，为后续的SWNTs 的其他应用提供了良好的基础。

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