В настоящее время разработаны различные способы производства углеродных нанотрубок, такие как электродуговой, лазерное испарение, пиролиз углеводородов и др. Получаемые при этом материалы содержат помимо УНТ примеси аморфного углерода, наночастицы графита и металла катализатора. Поэтому очень важной научной и практической задачей представляется разработка способов очистки УНТ от примесей для получения максимально возможной степени чистоты[1].
Применяют три группы методов очистки УНТ:
- разрушающие,
- неразрушающие,
- комбинированные.
Разрушающие методы используют химические реакции, которые могут быть окислительными или восстановительными и основаны на различиях в реакционной способности различных углеродных форм. Для окисления используют либо растворы окислителей, либо газообразные реагенты, для восстановления — водород. Методы позволяют выделять УНТ высокой частоты, но связанны с потерями трубок.
Основную массу катализатора и носителя катализатора удаляют отмывкой в серной и азотной кислотах, а также их смеси. Если носителем катализатора служит силикагель, кварц или цеолиты, применяют фтористоводородную кислоту или растворы щелочей. Для удаления оксида алюминия применяют концентрированные растворы щелочей. Металлы-катализаторы, окклюдированные в полости УНТ или окруженные графитовой оболочкой, при этом не удаляются[2].
Аморфный углерод удаляется либо окислением, либо восстановлением. Для восстановления используется водород при температуре не ниже 700 °С, для окисления — воздух, кислород, озон, диоксид углерода или водные растворы окислителей. Окисление на воздухе начинает протекать при температуре 450 °С. При этом часть УНТ (преимущественно наименьшего диаметра) окисляется полностью, что способствует раскрытию остальных трубок и удалению не удаленных при первичной кислотной обработке частиц катализаторов. Последние выводят вторичной отмывкой в кислоте. Для получения наиболее чистого продукта операции кислотной и газовой очистки могут повторяться несколько раз, сочетаться друг с другом и с физическими методами[3].
В некоторых случаях первичную кислотную очистку проводят в две стадии, с использованием сначала разбавленной кислоты (для удаления основной массы катализатора и носителя), а затем концентрированной (для удаления аморфного углерода и очистки поверхности УНТ) с промежуточными операциями фильтрации и промывки.
Поскольку частицы оксидов металлов катализируют окисление УНТ и вызывают снижение выхода очищенного продукта, используется дополнительная операция их пассивирования путем переведения во фториды действием SF6 или других реагентов. Выход очищенных УНТ при этом повышается.
Неразрушающие методы включают экстрагирование, флокуляцию и селективное осаждение, микрофильтрацию перекрестным током вытеснительную хроматографию, электрофорез, селективное взаимодействие с органическими полимерами. Как правило, эти методы малопроизводительны и неэффективны[4,5,6].
Экстрагирование применяется исключительно для удаления фуллеренов, при большом количестве которых их извлекают сероуглеродом или другими органическими растворителями. Для очистки материалов, получаемых дуговым и лазерно-термическим методами разработано несколько способов. "Старый" метод включает операции окисления 5М HNO3 (24 ч, 96 °С), нейтрализацию NaOH, диспергирование в 1% -ном водном растворе тритона Х-100, фильтрацию с перекрестным током. К его недостаткам относится соосаждение гидроксидов Ni и Со вместе с УНТ, трудности удаления графитизированных частиц и органических солей Na, вспенивание при сушке в вакууме, низкая эффективность фильтрации, большая длительность процесса низкий выход очищенных трубок.
«Новый» метод предусматривает окисление 5М HNO3 в течение 6 ч, центрифугирование, промывку и нейтрализацию осадка NaOH, повторное окисление HNO3 с повторным центрифугированием и нейтрализацией, промывку с метанолом, диспергирование в толуоле отфильтровывание. Этот метод также не позволяет добиться полной очистки, хотя по выходу УНТ (50-90%) превосходит «старый» метод.
Использование органических растворителей непосредственно после кипячения в кислоте позволяет удалить 18-20% примесей, половина которых приходится на фуллерены, а другая – на растворимые углеводороды.
Полученные дуговым методом ОУНТ (5% катализатора, состоящего из Ni, Co, FeS с соотношением 1:1:1) сначала окисляли на воздухе при 470 °С в течение 50 мин вращающейся лабораторной печи, затем удаляли примеси металлов многократной промывкой 6 M HCl, добиваясь полного обесцвечивания раствора. Выход ОУНТ, содержащих менее 1 мас.% нелетучего остатка, составил 25-30%.
Разработан процесс очистки дуговых ОУНТ, включающий помимо окисления на воздухе и кипячения в HNO3, обработку раствором HCl и нейтрализацию. УЗ-диспергирование в диметилформамиде или N-метил-2-пирролидоне с последующим центрифугированием, испарением растворителя и вакуумным отжигом при 110 °С.
- Литература:
Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены: Учебы. пособие / Э.Г. Раков — М.: Университетская книга, Логос, 2006. - 376 с.
Гришин Д.А. Синтез углеродных нанотрубок пиролиза метана: дис. канд. техн. наук: 05.17.07 / Гришин Дмитрий Александрович. — Москва, 2005. — 134 с.
Гевко П. Н., Окотруб А.В., Булушева Л.Г., Юшина И.В. Влияние отжига на оптические спектры поглощения одностенных углеродных нановолокон. Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 5.
Трефилов В.И., Щур Д.В., Тарасов Б.П., Шульга Ю.М., Черногоренко А.В., Пишук В.К., Загинайченко С.Ю. Фуллерены — основа материлов будущего, Киев, 2001, 148 с.
Шульга Ю.М., Тарасов Б.П., Криничная Е.П., Мурадян В.Е. и др. Сборник трудов «Фуллерены и фуллереноподобные структуры», Минск, БГУ, 2000, 41.
Г.А. Аксельруд, А.Д. Молчанов Растворение твердых веществ, М.:«Химия»,1977.
