【精品文章】【碳材料】碳纳米管表面功能化修饰及改性
材料表面功能化处理及其应用
材料表面功能化处理及其应用材料表面功能化处理是指通过一定的化学、物理或生物学手段，在材料表面引入新的功能基团或改变其表面性质，使其具有特定的物理、化学或生物学性能。
该技术已经被广泛应用于材料学、化学、生物学、医学、环境保护等领域，并在电子技术、能源、催化剂、传感器等领域得到了广泛的应用。
本文将对材料表面功能化处理的方法和应用进行简要介绍。
一、材料表面功能化处理的方法材料表面功能化处理的方法主要有化学修饰、物理修饰和生物修饰三种。
其中，化学修饰主要是通过将化学处理剂与材料表面接触，通过表面反应将功能基团引入材料表面；物理修饰主要是通过物理手段将功能基团吸附在材料表面；生物修饰主要是利用生物体系中的酶、细胞等成分，将功能基团引入材料表面。
下面我们将详细介绍这三种方法。
1.化学修饰化学修饰是材料表面功能化处理的主要手段之一，主要通过表面反应的方式引入新的功能基团。
通常的化学修饰包括表面硅化、表面磷化、表面氧化、表面羧基化等。
其中，表面硅化主要是利用硅化合物如SiCl4，SiHCl3等与材料表面的羟基反应，引入硅基团；表面磷化主要是利用磷酸或磷酸酯与材料表面反应，引入磷基团；表面氧化主要是利用表面活性氧与材料表面反应，引入羟基基团；表面羧基化主要是利用卡宾化反应、氧化反应等方法将COOH基团引入材料表面。
这些化学方法可以在不同的温度下进行，因而可以对不同材料进行不同的表面处理。
2.物理修饰物理修饰是一种无需化学反应的表面修饰方法，主要通过物理吸附将功能基团吸附在材料表面。
通常的物理修饰包括辐射法、离子束法、薄膜沉积法和常温等离子体处理法等。
其中，离子束法和薄膜沉积法是常用的方法，主要是通过物理吸附或化学反应的方法将功能基团吸附或沉积到材料表面。
3.生物修饰生物修饰是一种利用生物体系的酶、细胞或其他生物成分将功能基团引入材料表面的方法。
这种方法主要应用于生物医学领域，可以将有益的、具有生物学活性的生物材料、蛋白质等修饰到人工材料表面，以实现与生物体相容性、易于生物分解和可程式化等优点。
碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展_邱军
收稿:2011-04-25;修回:2011-07-18;基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2009A A03Z528);作者简介:邱军,男,工学博士,教授,博士研究生导师,研究方向为高性能聚合物基复合材料;E -mail :qiujun @tong ji .edu .cn .碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展邱 军,陈典兵(同济大学材料科学与工程学院,先进土木工程材料教育部重点实验室,上海 201804) 摘要:碳纳米管与碳纤维具有优异的力学、电学等性能,广泛用做复合材料增强体,但目前碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料的研究具有一定的局限性,只考虑了两相材料间的作用,即仅对单一相进行处理而忽略了另一相的改性。
本文从碳纳米管/碳纤维协同增强环氧树脂基体复合材料的思路入手,结合自己的研究成果,综述了国内外相关研究进展。
从研究结果可以看出,将三相材料之间完全有效地联系起来,发挥三者间的协同效应,复合材料的性能可以发生质的飞跃。
关键词:碳纳米管;碳纤维;环氧树脂;三相复合材料引言日本科学家Iijim a [1]在1991年首次发现碳纳米管(CN Ts )。
碳纳米管具有着优异的力学、电性能和热性能,抗拉强度达到200GPa ,弹性模量可达1TPa ,并且具有低密度、高长径比等结构特点,因此成为聚合物复合材料的理想增强材料。
碳纤维(CF )具有十分优异的力学性能,同时耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、低热膨胀系数、导电导性、电磁屏蔽性优良等。
碳纤维复合材料同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气等领域[2]。
环氧树脂(EP )是一种高性能复合材料基体,具有优良的机械性能、绝缘性能、耐腐蚀性能、黏接性能和低收缩性能。
当前以环氧树脂为基体的高性能复合材料应用广泛,碳纳米管/环氧树脂复合材料和碳纤维/环氧树脂复合材料凸显了优异的力学和综合性能,那么如何再进一步提高这两类复合材料的性能呢?本文在简要综述碳纳米管和碳纤维对环氧树脂复合材料性能改善的前提下,进一步综述了碳纳米管/碳纤维/环氧树脂三相复合材料的研究进展,并对其可能的发展进行了预测。
纳米颗粒的表面修饰与改性
化学修饰及改性方法
钛酸酯偶联剂
(RO)M－Ti－(OX-R’-Y)N
偶联无机相
亲有机相
单烷氧基型 异丙基三（异硬脂酰基）钛酸酯 异丙氧基三（磷酸二辛酯）钛
i-C3H7OTi[OP(OC8H17)2]3
O
＋
HO
Ti－O－CH－CH3
CH3
Ti－O－
X－C、N、P、S等元素 R’－长链烷烃 Y－羟基、氨基、环氧基、双键等
03
不饱和有机酸
如油酸，用于处理含碱金属粒子的无机矿物填料
有机硅
硅油、硅表面活性剂，用于高岭土、碳酸钙滑石粉、 水合氧化铝等表面的改性
高级脂肪酸及其盐
用于氧化铁红、铁黑、铁黄等粉体表面的改性 如硬脂酸、硬脂酸锌
表面改性剂的种类
一部分为锚固基团，可通过离子对、氢键、范德华力等作用以单点或多点的形式紧密地结合在颗粒表面上，另一部分为具有一定长度的聚合物链。适用于提高颜料、填料在非水介质中的分散度
表面工程:用物理、化学方法对粒子表面进行处理,有目的地改变粒子表面的物理化学性质,如表面原子层结构和官能团,表面疏水亲水性,电性和反应特性等,实现人们对纳米微粒表面的控制.
表面修饰与改性目的： 改善或改变纳米粒子的分散性 提高微粒表面活性 使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能 改善纳米粒子与其它物质之间的相容性
超分散剂(BYK公司)
在颗粒表面可形成多点锚固，提高了吸附牢固度而不易解吸 溶剂化链比传统分散剂亲油基团长，可起到有效的空间稳定
特点：
形成极弱的胶束，易于活动，能迅速移向颗粒表面，起到润
作用
不会在颗粒表面导入亲油膜，从而不致影响产品的应用性能
湿保护作用
表面改性剂的种类
表面改性剂的种类(常见超分散剂)
多壁碳纳米管表面对硝基苯酚印迹复合材料的制备与吸附性能
高 等 学 校 化 学 学 报
ＣＨＥＭＩ ＣＡＬ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩ ＮＥＳ Ｅ ＵＮＩ ＶＥＲＳＴＩ Ｉ ＥＳ
Ｎｏ １１ ．
２ｌ １～２ ４ ４ １７
多壁碳 纳米 管 表 面 对 硝 基苯 酚 印 迹 复 合 材 料 的 制 备 与 吸 附性 能
张 华斌 ，张 朝 晖 ， 宇芳 胡 ，杨 潇 ，聂 利 华
（ ．吉 首 大 学 化 学 化工 学 院 ， 首 ４ ６ ０ ； １ 吉 １００
２ 湖南大学化学生物传感 与计量 国家重 点实验室 ， ． 长沙 ４０８ ） １０２
摘要 以多壁碳 纳米管表 面接枝 的 ． 苯丙氨酸为结合 位点 ，甲基丙 烯酸 为功能单体 ，乙二醇二 甲基丙烯 酸
收稿 日期 ： ０ ００ － ． ２ １－３２ ４ 基金项 目：湖南省 自然科学基金 （ 批准号 ： ８Ｊ０ ４ 、湖南省科技计划项 目（ ０Ｊ ０ ） ４ 批准号 ： ０ ９ Ｊ０ ９ 、 ２ ０ Ｆ３ ０ ） 林产化工工程湖南省重点实验 室开放基金（ 批准号 ： Ｄ ２ ００ ） 吉首大学研究生科研创新基金 （ ＪＺ０９３ 、 批准号 ： Ｇ ２０ ０ ） Ｊ Ｙ ０９ １ 和吉首大学校级课题基 金（ 批准号 ： ９Ｄ ０ ７ ０ＪＹ ０）
资助．
联系人简介 ： 张朝晖 ， ， 士 ， 男 博 副教授 ，主要从事分子 印迹研究．Ｅ ｍａ ： ｈｏｕｚａｇ７ ｏ ｉ ．Ｏ — ｉ ｚａｈ ｉ ｎ７ ＠ｈｔ ｌＣｒ ｌ ｈ ｍａ ｎ
高 等 学 校 化 学 学 报
吸附能力 ．
１ 实 验 部 分
１ １ 试剂 与仪 器 ．
了它对对硝基苯酚和其它结构类似物混合溶液 的动态 吸附性能 ，结果 表 明，印迹 复合材料 对对硝 基苯酚 的 吸附容量不受结构类似物浓度 的影响 ， 能较好 地应 用于对硝基苯酚的分离 富集检测 ． 关键词 多壁碳纳米管 ；印迹 ； 硝基苯酚 ；吸附 ０ １ ；０ ５ ６３ ６７ 文献标识码 Ａ 文章编号 ０ ５ －７ ０ ２ １ ） １２４ － ２ １ ９ （００ １ ・１ １ ７ ０ ０ 中图分类号
电催化剂碳载体的功能化_概述及解释说明
电催化剂碳载体的功能化概述及解释说明1. 引言1.1 概述在过去几十年里，电催化剂碳载体的功能化已经成为能源转换和环境领域研究的热点之一。
电催化剂是一种可以在电化学反应中促进电子转移的材料，而碳载体则是一种优秀的催化支撑材料，具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等特点。
因此，将电催化剂与碳载体相结合进行功能化研究，不仅可以提高其催化活性和稳定性，还可以拓宽其应用范围，并在能源转换和环境领域中发挥重要作用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分我们将对电催化剂碳载体的功能化进行概述，并介绍文章的目的。
接下来，在“2. 电催化剂碳载体的功能化”部分将详细解释碳载体的概念以及电催化剂功能化的定义和意义。
然后，在“3. 实现电催化剂碳载体功能化的关键要点”部分我们将讨论实现该功能化过程所需考虑的关键因素和方法。
随后，在“4. 碳载体功能化在能源转换和环境领域的应用案例分析”部分将展示电催化氧还原反应、电催化析氢反应以及其他相关领域中碳载体功能化的研究进展和应用案例。
最后，在“5. 结论”部分我们将总结本文的主要内容并对未来的研究方向进行展望。
1.3 目的本文旨在系统概述电催化剂碳载体的功能化，并对其在能源转换和环境领域中的应用进行详细分析。
通过探讨材料选择与制备技术、表面修饰与改性策略以及催化性能评价与优化方法等关键要点，我们希望为相关研究提供一些有益的指导，并为该领域未来的研究方向提供参考。
此外，通过介绍具体的应用案例，我们还将展示电催化剂碳载体功能化在实际工程中的巨大潜力，为推动能源转换和环境保护做出贡献。
2. 电催化剂碳载体的功能化2.1 碳载体介绍在电化学领域，碳材料作为电催化剂的载体具有独特的优势。
碳材料广泛存在于自然界中，如天然石墨、活性炭等，同时还可以通过多种方法制备得到，如染料敏化太阳能电池中常用的石墨烯等。
由于其高比表面积、丰富的孔隙结构以及良好的导电性能，碳材料被广泛应用于能源转换和环境领域。
十二烷基硫酸钠对碳纳米管悬浮液分散性能的影响
十二烷基硫酸钠对碳纳米管悬浮液分散性能的影响黄苏萍;肖奇【摘要】以十二烷基硫酸钠(SDS)为分散剂,制备碳纳米管悬浮液.通过测定SDS在碳纳米管表面的等温吸附曲线和悬浮液的Zeta电位,研究SDS对碳纳米管表面性质的影响.结果表明:SDS的加入使Zeta电位由-28 mV变为-48 mV左右,SDS浓度c(SDS)为2.0× 10-3 mol/L左右时达到最大电位值并最终趋于稳定；SDS在碳纳米管表面的等温吸附曲线为典型的双平台型(LS型)吸附曲线.SDS吸附量在低浓度下(0.7× 10-3～1.2× 10-3 mol/L范围内)处于第一平台吸附值；随后SDS浓度进一步增大,吸附量迅速上升,在2× 10-3 mol/L处趋近饱和吸附,吸附量达到第2个平台.悬浮碳纳米管浓度测定结果表明SDS可作为水性体系碳纳米管的分散剂,SDS的最佳浓度范围为2.0×10-3～8.0×10-3 mol/L,通过静电排斥和位阻效应有效阻止碳纳米管的团聚.【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》【年(卷),期】2012(017)001【总页数】6页(P133-138)【关键词】碳纳米管;十二烷基硫酸钠;分散【作者】黄苏萍;肖奇【作者单位】中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙410083;中南大学资源加工与生物工程学院,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】O648碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)自 1991年由Iijima[1]发现以来，由于其独有的结构和奇特的物理、化学特性，成为世界范围内的研究热点之一[2]。
提高碳纳米管的分散性能，消除大的团聚，是碳纳米管应用的重要前提条件[3-4]。
碳纳米管的分散与表面改性可分为共价功能化修饰[5]和非共价功能化修饰 2类。
共价功能化修饰含破坏碳纳米管功能化位点的sp2结构，从而可能对碳纳米管的电子特性造成一定程度的破坏。
纳米材料在能源存储与转换中的性能优化
纳米材料在能源存储与转换中的性能优化摘要：能源存储与转换技术的发展对应对日益紧迫的能源需求和环境保护提出了挑战。
纳米材料，由于其尺寸和结构上的独特特性，已成为改善能源存储设备和能源转换技术性能的关键因素。
本文旨在探讨纳米材料在这一领域的应用，重点关注其在电池技术、太阳能电池、燃料电池等方面的性能优化。
关键词：纳米材料、能源存储、能源转换、电池技术、设计与性能优化1.纳米材料的概述1.1纳米材料的定义和分类对纳米材料的定义涉及到其尺寸和结构。
一般来说，纳米材料的至少一个维度应小于100纳米。
这种定义反映了材料在纳米尺度下的尺寸限制。
根据其维度和结构，纳米材料可以被分类为不同的类别。
零维纳米材料是具有各向同性的纳米颗粒，一维纳米材料具有一维的结构，例如纳米线和纳米管，而二维纳米材料则具有二维结构，如石墨烯。
这些分类基于纳米材料的几何形状和维度，对其性能和应用有着深远的影响[1]。
1.2特性和优势纳米材料的独特特性源于其尺寸和结构。
其中最重要的是其巨大的比表面积，也就是单位质量或体积下的表面积非常大。
这使得纳米材料具有出色的吸附性能和催化活性。
另一个重要特性是尺寸量子效应，即纳米材料的电子和光学性质在纳米尺度下发生显著变化。
此外，纳米材料通常表现出更高的电导率和更快的电荷传输速度，这在电池和超级电容器等能源存储设备中非常有价值。
纳米材料还具有出色的机械强度和稳定性，这在能源存储设备和能源转换技术中非常重要，特别是在高压和高温条件下。
1.3纳米材料在能源存储与转换中的应用概览纳米材料在能源存储与转换领域的应用非常广泛。
在能源存储方面，纳米材料可用于改进电池技术，包括锂离子电池、钠离子电池和超级电容器。
通过利用纳米材料的巨大比表面积和高电导率，这些电池可以提高储能密度和充放电速率，从而提高性能。
在能源转换方面，纳米材料在太阳能电池、燃料电池和热电材料中具有重要作用。
通过结构和表面修饰，纳米材料可以增加太阳能吸收率、催化反应速率和热电效率。
多壁碳纳米管的有机修饰与表征
多壁碳纳米管的有机修饰与表征刘道辉;吕兆萍;窦国庆;王海洋;王瑞海【摘要】In order to increase the multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) surface reaction properties, the organic diamine functionalized MWCNTs was obtained by treated MWCNTS with H2SO4 and HNO3 reluxed with SOC12 and synthesized 3,6 diamino-N-ethylcarbazole. FTIR was used to characterize their chemical structure. The IR results indicated that there were absorption peak in the 1617 and 1673cm-1, diamine are grafted on the MWCNTs and the dispersion of MWNTs in DMF is enhanced. MWCNTs still have electrical conductivity at room temperature of 67.8S-cm-1%为了增加多壁碳纳米管(MWCNTs)表面活性,通过浓H2SO4和浓HNO3处理过的MWCNTs与SOCl2回流进而与合成的N-乙基-3,6-二氨基咔唑反应,得到了有机修饰的MWCNTs.用傅立叶变换红外(FTIR)光谱对有机修饰的MWCNTs结构进行研究.研究结果结构表明:有机修饰的MWCNTs红外光谱在1617和1673cm-1处出现了吸收峰,在多壁碳纳米管上引入了胺基,增强了碳纳米管在DMF中的分散性,室温下有机修饰的MWCNTs仍具67.8S·cm-1的电导率.【期刊名称】《化学工程师》【年(卷),期】2011(000)011【总页数】4页(P13-16)【关键词】多壁碳纳米管;N-乙基-3,6-二氨基咔唑;有机修饰;分散性;电导率【作者】刘道辉;吕兆萍;窦国庆;王海洋;王瑞海【作者单位】南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京211000;南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京211000;南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京211000;南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京211000;南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京211000【正文语种】中文【中图分类】TB383多壁碳纳米管含有多层石墨烯片，形状像个同轴电缆。
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【碳材料】碳纳米管表面功能化修饰及改性
碳纳米管是由单层石墨烯和多层石墨烯片层卷曲而成的一维纳米管状材料，具有机械强度高、化学稳定性好以及优异的导电性和电磁屏蔽性等特点，被认为是高性能复合材料的一种理想填料。
但其表面缺少活性基团、分散性差、加工困难，限制了其应用。
因此，研究者通过对其进行表面修饰改性来提高它的溶解性和分散性。
同时，通过化学或物理的方法将所需功能性基团接到碳纳米管的表面制备多功能性材料，目前，碳纳米管表面进行修饰及功能化改性成为了研究热门领域。
图1 碳纳米管示意图
一、碳纳米管表面修饰及改性
碳纳米管表面功能化修饰主要分为有机修饰、机械修饰、无机包覆。
1、有机修饰及改性
碳纳米管有机修饰及改性主要有共价修饰、非共价修饰。
（1）碳纳米管表面共价修饰
碳纳米管表面共价修饰是在其管壁上通过化学反应引入新的共价键来优化碳纳米管的性能，包含的主要反应有氧化反应、自由基加成、电化学反应、热化学反应等。
氧化反应是通过化学方法在碳纳米管表面引入极性较大的羧基或羟基，从而使碳纳米管材料表面具有活性基团，再通过共价交联反应来引入不同的功能基团。
图2 碳纳米管表面共价修饰示意图
上海交通大学纳米电子材料与器件研究组采用混酸
（H2SO4:HNO3=1:3）和强碱（NaOH）来处理多壁碳纳米管，得到碳纳米。