mile米乐m6官网半导体碳纳米管 (CNT) 的选择性提取

-使用纤维素树脂并将其应用于高性能热电发电元件-

1。演讲者：

Hiroyuki Nonoguchi（京都工业大学材料科学系副教授）
Isao Kawai（奈良科学技术大学尖端科学技术研究生院材料科学系教授）
Shunsuke Sakurai（米乐m6官方网站纳米碳器件研究中心先进材料研究组研究组组长）

2。演示要点：

我们开发了一种提取具有优异热发电性能的半导体碳纳米管（纯度约98%）的方法。
使用由天然聚合纤维素制成的树脂作为萃取剂，除了展示一种优化纤维素所表现出的石墨表面辨别能力的方法外，在应用方面，还可以显着降低分离和纯化半导体碳纳米管的成本。 (密度梯度超速离心（比传统方法如（注1）更短的时间和更低的成本）
本发明可能有助于下一代电子产品的普及，特别是温差发电。（热电动势高表明有温差发电的可能性）

3。演示摘要：

京都工业大学野野口宏之副教授、奈良先端科学技术大学川井功教授和米乐m6官方网站研究小组组长樱井俊辅共同证明，使用烷基化纤维素作为萃取剂可以选择性地分离和萃取高质量的半导体碳纳米管（CNT）。我们系统地研究了分子结构（如烷基类型、取代度（DS）和分子量）对分离效率的影响，发现中等取代的己基纤维素特别适合选择性萃取半导体碳纳米管。采用该方法获得的半导体碳纳米管兼具高纯度和高结晶度，且膜表现出优异的温差发电能力（热电转换特性），不仅超过分离提取前的碳纳米管，而且超过使用其他常规技术分离的半导体碳纳米管。此外，这种提取剂是由容易获得且廉价的原材料制成的，这可能会导致高质量半导体碳纳米管的稳定供应。

4。演示内容：

研究背景

单壁碳纳米管是由碳原子组成的圆柱形结构，直径约为1纳米，长度为数微米。已知根据碳原子的排列(卷绕)，它们分为半导体型和金属型，并且每种类型表现出不同的物理性质。特别是，半导体碳纳米管作为电子材料在透明和柔性薄膜晶体管以及超高集成度、超高速和低环境影响的碳纳米管计算机中的应用而受到关注。此外，近年来，半导体CNT已变得更加优越。温差发电能力（热电转换特性）（注2）），并且有望应用于能量收集，利用我们周围的废热发电。

先前研究的问题和问题

然而，单壁碳纳米管是半导体和金属类型的混合物，因此为了将其用作高性能晶体管材料和发电材料的高功能墨水，必须拥有一种能够有效分离高纯度半导体碳纳米管的技术。常规、密度梯度超速离心，凝胶过滤柱层析法（注3），导电高分子萃取法（注4）已经被提出，但为了实现工业应用，需要一种更便宜的方法来分离大量具有适合个别应用的物理性质的CNT。也有人指出，分离纯化过程中碳纳米管缺陷的产生和缩短对材料的电性能产生负面影响。

研究内容

2022年，研究团队报道乙基纤维素是一种烷基化纤维素，也是一种市售试剂，可以用作在有机溶剂中分散和提取碳纳米管的试剂。https://wwwkitacjp/2022/01/news220118/）。此外，在本研究中，研究了各种烷基化纤维素作为新的选择性萃取剂。通过对其结构、浓度、溶剂和其他提取条件的详细研究，我们阐明了一种使用烷基化纤维素选择性提取半导体碳纳米管的方法。当我们使用乙基、丁基、己基和辛基取代的纤维素（其结构如图1所示）作为萃取剂测量分散体的紫外-可见-近红外吸收光谱时，我们发现半导体CNT的分离选择性根据烷基化纤维素的侧链长度而变化（图2（a））。特别地，当使用己基纤维素(HC)时，几乎没有观察到源自金属CNT的吸收(M11)。此外，在红外吸收光谱中，在未分离和纯化的CNT中观察到由金属CNT引起的远红外吸收（等离子体共振），反映了半导体和金属CNT的混合物，但在使用己基纤维素提取的半导体CNT中几乎没有观察到等离子体共振吸收（图2（b））。详细的定量分析证实，使用烷基化纤维素可以以大约 98% 的选择性提取半导体 CNT。此外，图2(c)所示的共振拉曼光谱也证实了半导体碳纳米管的高选择性。对萃取条件的进一步检查表明，分离选择性不仅取决于烷基化纤维素上取代基的类型，还取决于溶剂的浓度、分子量和类型。

当我们检查已形成的碳纳米管的热电性能时，我们发现用己基纤维素提取的半导体碳纳米管的热电性能是未分离和纯化的碳纳米管的3到4倍。热电动势（注 5）（由于化学氧化，在高掺杂状态下约为 100 μV K）^-1，图 3 (a))。此外，这种CNT薄膜的效率比未纯化的CNT薄膜高约10倍，比通过传统导电聚合物提取方法生产的半导体CNT薄膜高约3倍。功率因数(283 μW·m^-1K^-2)（注6）（图3（b））。

未来发展

通过使用该技术，可以同时提高分离和萃取的收率和纯度，从而可以在短时间内（1小时内）高效地制备分离的样品。特别是，据认为，即使与具有类似操作的使用导电聚合物的分离和提取方法相比，通过将其替换为烷基化纤维素，也可以显着降低提取剂（导电聚合物）的成本，该提取剂（导电聚合物）一直是该提取方法的问题。未来，我们将继续开发利用该方法分离高纯度半导体碳纳米管的应用，并致力于开发更环保、更安全的纯化方法。

图 1 烷基化纤维素的结构。

图2。（a）使用不同侧链长度的烷基化纤维素的分散体的紫外-可见近红外吸收光谱（聚合物浓度025 w/v%的干燥四氢呋喃溶液，光程长度2毫米）。 (b) 使用己基纤维素 (HC) 和分散聚合物 F127 分散的 CNT 膜的红外吸收光谱。 (c) 使用 HC 和 F127 分散的 CNT 复合膜的拉曼光谱（激发波长 660 nm）。F127 的分散显示半导体和金属类型之间没有选择性。

图3用HC (010%)、乙基纤维素(EC，005%)、传统萃取剂(PFO-BPy) 和F127 萃取的CNT 薄膜的热电性能。 (a)电导率与塞贝克系数之间的关系。 (b) 电导率与功率因数之间的关系。

5。出版杂志：

期刊名称：美国化学会杂志 (美国化学会杂志）
论文标题：烷基化纤维素包裹实现半导体碳纳米管提取
作者：Tomoko Yagi（奈良科学技术大学）、Kazuhiro Yoshida（京都工业大学）、Shunsuke Sakurai（国立先进工业科学技术研究所）、Tsuyoshi Kawai（奈良科学技术大学）、Hiroyuki Nonoguchi（通讯作者，京都工业大学）
DOI 号：101021/jacs4c05468
摘要网址：https://doiorg/101021/jacs4c05468

6。词汇表：

注1) 密度梯度超速离心法: 一种离心，根据颗粒的大小、形状和密度来分离颗粒。已知以特定方式缠绕的碳纳米管可以被分离，因为沉降系数根据分散剂的吸附性能而变化。[返回来源]
注2)温差发电(热电转换特性): 热能（温差）直接转换为电能。[返回来源]
注3)凝胶过滤柱色谱法: 一般来说，这是一种通过使样品穿过装在柱中的载体来根据分子的大小来分离分子的方法。在分离碳纳米管时，利用凝胶颗粒的吸附差异，并且可以使用市售凝胶例如Sephacryl。[返回来源]
注4)导电聚合物提取方法: 一种通过将金属和半导体碳纳米管吸附在有机溶剂中来分离和提取金属和半导体碳纳米管的方法，利用它们之间的分散稳定性的差异。[返回来源]
注5) 热电动势: 当物质被加热时，它是根据高温侧和低温侧之间的温差获得的电动势。也称为塞贝克系数。当物质的两端施加温差时，载流子从较热的一侧移动到较冷的一侧，从而产生电压。[返回来源]
注6) 功率因数: 每单位温度和单位尺寸获得的功率。单位为W·m^-1K^-2，由热电动势和电导率的平方的乘积确定。[返回来源]

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