1,CNT的本征特性优异但易团聚
CNT因强范德华力(0.9 eV/nm)和π–π相互作用,在合成后极易形成束状聚集体(bundles),难以在水或常见有机溶剂中稳定分散,严重限制其应用。
2,分散/可溶化是CNT应用的前提
只有将CNT有效分散为单根或少根状态,才能充分发挥其高导电性、高强度(拉伸强度达13–150 GPa)、高热导率(单根可达3000 W/mK)等优异性能。
3,两大分散路径:化学修饰 vs 物理修饰
化学修饰:通过共价键引入官能团(如–COOH),虽可提升分散性但会破坏CNT本征结构,影响电学性能。
物理修饰:通过非共价作用(π–π、疏水、CH–π等)吸附分散剂,保留CNT结构完整性,更适合高性能电子/光电应用。
4,低分子分散剂依赖π共轭结构
含多环芳烃(如芘、蒽、卟啉)的分子因强π–π作用可高效吸附于CNT表面;例如:芘基季铵盐在水中对SWNT分散效果远优于苯或萘衍生物。
5,高分子分散剂更稳定、难解吸
高分子(如PFO、HNBR、PVDF、PAA、SMA、PI、DNA、CMC)通过多点吸附形成稳定复合物,即使透析去除游离分子,CNT仍保持分散状态,适合长期储存和器件制备。
6,DNA/RNA可实现高选择性、高稳定性分散
单链或双链DNA通过碱基与CNT的π–π/NH–π作用,不仅能稳定分散SWCNT,还能按手性或导电性选择性识别,是生物应用和高纯度分离的重要工具。
7,半导体性与金属性SWNT的分离至关重要
原料SWCNT是金属性(m-SWCNT)与半导体性(s-SWCNT)的混合物,而电子器件(如FET)仅需s-SWCNT。日本团队开发了多种高选择性分离技术。
8,聚芴类高分子(PFO及其共聚物)可选择性溶解s-SWCNT
在芳香溶剂(如甲苯)中,PFO仅与s-SWCNT强相互作用,实现高纯度分离(s-SWCNT纯度>99%),为高性能场效应晶体管(on/off 比 >10⁵)奠定基础。
9,动态超分子策略实现“可逆分散-回收”
日本团队创新设计可质子化超分子聚合物(如含菲咯啉的聚芴),分散s-SWCNT后,通过加酸使聚合物解聚并沉淀CNT,实现分散剂回收再利用,兼顾绿色与经济性。
10,分散技术推动CNT在多领域落地
可溶化CNT已用于:
透明导电薄膜(已商业化);
高强度/高导电纳米复合材料(仅需少量添加);
燃料电池催化剂载体;
近红外光响应太阳能电池;
高开关比FET、生物传感器、药物载体等。
更重要的是,可溶化技术使得对单一手性SWCNT的电子结构、氧化还原电位、激子行为等基础性质的精确研究成为可能,推动了纳米碳材料科学的深化。
未来,随着绿色、高效、可规模化分散技术(如超分子动态体系、生物分子识别)的发展,CNT在高端电子、能源与生物医学领域的产业化进程将进一步加速。