Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Pode Multiwalled karbon nanorør polystyren aktivere selvtillit forsamlingen og Anisotrop lappverk

Published: April 1, 2018 doi: 10.3791/56267
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Analytical Chemistry, School of Chemistry, National Autonomous University of Mexico, 2Department of Organic Chemistry, School of Chemistry, National Autonomous University of Mexico

Summary

En prosedyre for syntese av isopor-podet multiwalled Karbonnanorør med påfølgende kjemisk endring trinn til selektivt introdusere polymer kjeder til sideveggene og deres selvtillit forsamlingen via Anisotrop lappverk er presentert.

Abstract

Vi viser en enkel protokoll for pode uberørte multiwalled Karbonnanorør (MWCNTs) med polystyren (PS) kjeder sideveggene gjennom en frie radikaler polymerisasjon strategi å aktivere modulering av egenskapene nanotube overflate og produsere supramolecular selv-montering av nanostrukturer. Først oppretter en selektiv hydroksylering av den uberørte nanorør gjennom en bifasisk katalytisk mediert oksidasjon reaksjon overfladisk distribuert reaktive steder på sideveggene. Sistnevnte reaktive områdene endres senere med methacrylic moieties bruker en silylated methacrylic forløper til å lage polymerizable nettsteder. Gruppene polymerizable kan ta ytterligere polymerisering av Styra å produsere en hybrid nanomaterial som inneholder PS kjeder podet til nanotube sideveggene. Polymer-graftet innhold, mengden av silylated methacrylic moieties introdusert og hydroksylering endring av nanorør identifiseres og kvantifisert av Thermogravimetric analyse (TGA). Tilstedeværelsen av reaktive funksjonsgrupper hydroksyl og silylated methacrylate er bekreftet av Fourier transformere infrarødspektroskopi (FT-IR). Isopor-podet karbon nanorør løsninger i tetrahydrofuran (THF) gir verktøybasert collinearly selv montert nanorør da kastet prøver analyseres av overføring elektronmikroskop (TEM). De selv-samlingene er ikke oppnådd når passende mellomrom er tilsvarende fra analoge løsninger som inneholder ikke-podet kolleger. Derfor kan denne metoden endring av den nanotube Anisotrop lappverk på sideveggene som resultatene i spontan auto-organisasjonen nanoskala.

Introduction

Siden oppdagelsen av enkelt vegger Karbonnanorør (SWCNTs),1,2 forskningsmiljøene har brukt sin enestående elektriske, mekanisk og termisk egenskaper3 i et bredt spekter av avanserte søknader ved modulerende sine overflateegenskaper via kovalente4 og ikke-kovalente5 strategier. Eksempler på disse programmene er deres bruk som transdusere sensorer,6,7 elektroder solceller,8 heterogene støtter katalyse,9 nanoreactors i syntese,10 anti-fouling agenter i beskyttende film,11 fyllstoff i komposittmaterialer,12etc. Imidlertid har muligheten til å modulate overflateegenskaper av sine mer robuste, men industrielt tilgjengelig multiwalled kolleger nemlig MWCNTs, til å styre retningen i deres ikke-kovalente samhandling på nanoskala, vært en vanskelig oppgave hittil. 13

Supramolecular selv-montering av molekylære byggeklosser er en av de mest allsidige strategiene for å kontrollere organiseringen av saken i nanoskala. 14 , 15 i denne forstand supramolecular vekselsvirkningene involverer retningsbestemt, kort rekkevidde og mellomtoner ikke-kovalente interaksjoner som H-bånd, Van der Waals, dipol-dipol, ion-dipol, dipol-indusert dipol, π-π stabling, cation-π, anion-π, coulombic, blant andre. 16 dessverre retningen i selvstendig montering for større strukturer som MWCNTs er ikke spontane og vanligvis krever ekstern motivet styrker (f.eks maler eller spre energisystemer). 17 en siste rapport brukte ikke-kovalente innpakning av nanorør med skreddersydd co polymerer å forfølge siste målet,18 men bruk av kovalente strategier for å tilby nye alternativer for å løse dette problemet har vært knapt utforsket.

Kjemisk endring av Karbonnanorør kan selektivt utføres for å innføre ulike funksjonsgruppene termini eller sideveggene av det samme. 19 , 20 er en av de mest nyttige tilnærmingene til å skreddersy egenskapene overflaten i karbon nanostrukturer polymer-pode gjennom standard polymerisasjon ruter. Vanligvis de tilnærminger involvere foreløpige innføring av polymerizable eller initiativtaker grupper (akryl, vinyl, osv.) på nanostructure overflaten og deres påfølgende polymerisasjon med en egnet monomer. 21 når det gjelder MWCNTs, Kovalente innføring av polymer kjeder på sideveggene kontrollere deres lappverk i en Anisotrop mote har vært en utfordring.

Her viser vi hvordan en rekke enkle kjemisk endring trinnene22,23 kan brukes for å sette inn PS kjeder på sideveggene av MWCNTs for å endre deres overflate lappverk og å fremme deres Anisotrop selvstendig montering23 på nanoskala. Under endring ruten tillater et første den selektive hydroksylering av uberørte MWCNTs på sideveggene etter en bifasisk katalytisk mediert oksidasjon reaksjon for å gi de hydroxylated kolleger nemlig MWCNT-OH. Andre trinnet bruker 3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate (TMSPMA) å innføre silylated methacrylic moieties til tidligere opprettede hydroksyl grupper (MWCNT-O-TMSPMA). Disse innlegg vil gi overflaten reaktive nettstedene under en tredje trinn, når styren monomer er polymerized fra methacrylic moieties dermed gir polymer kjeder podet til sideveggene av nanorør på slutten (dvs. MWCNT-O-PS).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsiktig: Se alle relevante sikkerhetsdatablader (MSDS) før bruk. Flere av kjemikaliene som brukes i denne protokollen er akutt giftige og kreftfremkallende. Karbon nanorør derivater kan ha flere åndedretts farer sammenlignet med andre tradisjonelle bulk karbon allotropes. Det er mistanke om at Karbonnanorør i aerosol kan påvirke lungene på en lignende måte enn asbest, selv kreftfremkallende egenskaper ikke har vært helt belyst så langt. Kan bruke alle nødvendige sikkerhets praksis når den kjemiske reaksjoner og produkt behandlingstrinn inkludert bruk av avtrekksvifte og personlig verneutstyr (laboratoriefrakk, hansker, vernebriller, lukket sko, full lengde bukser) stund egnet filtrere facepiece åndedrettsvern spesielt brukes når potensielle nanotube støv kan genereres (NIOSH godkjent N95 modell eller europeiske no 149 sertifisert FFP3 versjoner). Deler av fremgangsmåten involverer standard inert atmosfære håndtering teknikker. 24

1. selektiv hydroksylering av Multiwalled karbon nanorør 22

  1. Bifasisk mediert katalytisk oksidasjon av MWCNTs
    1. Forberedelse av organisk fasen
      1. Legge 2.5 g av uberørte MWCNTs se glass, Petriskål eller kanne.
      2. Flytte beholderen til en 80 ° C vakuum ovnen og dekk med et egnet se glass. Aktivere vakuumpumpe i ovnen og sette systemet å ca. 200 mmHg.
      3. Tørr nanorør i vakuum ovnen i 12 h. Etter dette trinnet vil vanninnholdet i MWCNTs bli eliminert.
      4. Hell de tørket MWCNTs i en 100 mL rundt bunnen kolbe med glass trakt og en slikkepott og fjerne trakten når ferdig.
      5. Introdusere en magnetisk gripende bar runde bunnen flasken og Legg ~ 50 mL av 99% diklormetan i flasken bruker et beger. Rør 60 RPM bruker en gripende plate før agglomerates forsvinner.
      6. Hvis agglomerates fortsatt i løsningen etter omrøring for 10 min, flytte kolbe til ultralydbad og aktivere systemet for 5 min. Gjenta sonication om nødvendig. Denne løsningen vil være i organisk fase i oksidasjon reaksjon scenen.
    2. Utarbeidelse av den vandige fasen
      1. I et 25 mL beaker, løses 0,6 g tetrapropylammonium bromide (TPABr) i 5 mL destillert vann en magnetisk gripende bar og en gripende plate.
      2. I en 10 mL volumetriske kolbe, oppløse 0.253 g KMnO4 i destillert vann (0,16 M løsning) og holde løsningen i et beaker for hånden. Denne løsningen vil bli brukt i trinn 1.1.2.4.
      3. Ta 5 mL iseddik (HOAc) og overføre volumet drop-wise til TPABr løsning. Kan være nyttig å bruke en uteksaminert pipette og konstant rør i en isbadet.
        Merk: Blanding prosessen er eksoterm, derfor tillegg skal utføres langsomt for å unngå mulige skader av beregnede slippverktøy eller en overdreven oppvarming.
      4. Overføre en 5 mL aliquot av 0,16 M KMnO4 vandig løsningen til sur TPABr løsning. Bruke en ren uteksaminert pipette og stirring kan være nyttig.
      5. Hold den forrige løsningen dekket med et ur glass inntil nødvendig. Denne løsningen vil være den vandige fasen i oksidasjon reaksjon scenen.
    3. Oksidasjon reaksjon
      1. Hell den vandige fasen i runde bunnen kolbe som inneholder organiske fasen. Denne blandingen blir reaksjonsblandingen bifasisk.
      2. Bruker gripende platen, agitere bifasisk systemet 80 rpm eller mer og la blandingen under omrøring ved romtemperatur for 24 timer. Etter denne tid, den fiolette vandige fasen blir blek rosa og nanorør bli hydroxylated (MWCNT-OH).
  2. Rensing av MWCNT-OH
    1. Væske-flytende utvinning
      1. Overføre reaksjonsblandingen bifasisk til 150 mL eller 200 mL separatory trakt med stopcock i lukket posisjon. Bruke glass trakt og en slikkepott hvis nødvendig.
      2. Bruke en Beral pipette, en Pasteur pipette med en gummi lyspære festet eller et beger, legge til ~ 0,25 mL konsentrert saltsyre i separatory trakten.
      3. Bruk separatory trakten.
        1. Lukk separatory trakten med en Teflon stopper (ikke bruk glass stoppere for Karbonnanorør) og rist kraftig i 5 s i avtrekksvifte med vinduet sash ned. Under omrøring, alltid holde stopperen sterkt knyttet til trakten med én hånd og ta stopcock med den andre hånden.
        2. Umiddelbart etter agitasjon trinn, snu trakten opp ned og slipp trykkoppbygging ved å åpne stopcock med den aktuelle hånden.
          Merk: Sørg for å ta presset retning på baksiden av røyk maten.
        3. Gjenta de to siste agitasjon/press-release-trinnene i sykluser av 3-5.
        4. Når de siste syklus er fullført, umiddelbart fjerne stopperen og la den trakt festet og uforstyrret til fasen separasjon er tydelig. Etter væske-væske separasjon forblir den vandige fasen over den organiske fasen. MWCNT-OH vil forbli på den organiske fasen.
      4. Hvis ingen fase separasjon, legge til 1-5 mL saltlake (10-20% NaCl i vann, m/v) til separatory trakten med en Beral pipette eller en Pasteur pipette, bland forsiktig og la blandingen uforstyrret til fase separasjon. Gjenta inntil nødvendig.
      5. Gjenopprette den organiske fasen på en 150 mL kanne holder stopcock åpen til fase grensen når stopcock posisjon. En 150 mL Erlenmeyer kolbe kan også brukes til å gjenopprette den organiske fasen; henting av nanorør fra denne beholdertype er imidlertid vanligvis vanskeligere.
      6. Hold den gjenopprettede løsningen beskyttet med et ur glass til filtrering.
      7. Kast den vandige fasen riktig.
    2. Innstilling av vakuum filtreringssystem
      1. Angi vakuum filtreringssystem sitteplasser stopperen og base fast i halsen av en festet Kitasato kolbe.
      2. Holde et 47 mm diameter membran filter for hånden, og avhengig av membran materiale og indikasjoner fra produsenten, eventuelt følge dette trinnet og to neste de (trinn 1.2.2.2 - 1.2.2.4). Forberede en 100 mm diameter Petriskål med etanol (EtOH) fyller 50% av kapasiteten.
      3. Med glatt-tip tang, plass 47 mm diameter membran filteret på Petriskål med EtOH. La membranen i EtOH i 2-5 min. sikre bruker en membran med en porestørrelse 0.45 - 20 µm. mindre pore størrelser vil tette filtrering, mens større de vil redusere filtrering effektivitet.
      4. Fjern membranen fra EtOH bruker glatt-tip tang.
      5. Center membranen på sintered glass området filter støtte overflaten begynner ved kanten av membranen. Valgfri fukting med EtOH kan lette dette trinnet.
      6. Center flensen av trakten på samlingen. Ikke forstyrr membranen. Låse trakten og base sammen med våren klemmen.
      7. Koble systemet til vakuum kilden. Ikke slå vakuum på inntil nødvendig.
    3. Filtrering av MWCNT-OH
      1. Hell den hentede organiske fasen i vakuum filtrering trakten hjulpet av glass stang. Bruke vakuum å filtrere prøven til tørrhet.
      2. Vask solid med 40-50 mL 95% metanol (MeOH) ved å bruke en. Bruke glass stang kan være nyttig i denne oppgaven. Gjenta denne prosessen minst 5 ganger. Hold vakuum med i dette trinnet.
      3. Etter vasking, la systemet under vakuum for 20 min dekket med et glass se tørke solid.
      4. For å gjenopprette solid fra membranen, følg de neste trinnene 1.2.3.5 - 1.2.3.8.
      5. Nøye, Fjern våren klemmen og loddrett fjerne trakten uten å forstyrre membranen og solid.
      6. Nøye, fjerne membranen sammen med solide fra filteret støtte overflaten hjulpet av en slikkepott og glatt-tip tang.
      7. Overføre membranen med solid til en 100 mm diameter Petriskål eller se glass.
      8. Hjulpet av to glatte-tip tang og en slikkepott, gjenopprette solid fra membranen overflaten før alle er avsatt på Petriskål/se glasset.
    4. Tørking varm og lagring av MWCNT-OH
      1. Dekke Petriskål/se glasset med et egnet se glass (større diameter er nødvendig).
        Merk: Ikke bruk tetting film for å unngå elektrostatisk lading.
      2. Innføre Petriskål/se glasset i et vakuum ovn som varmes opp til 80 ° C. Aktivere vakuumpumpe ovn og sette systemet å ca. 200 mm Hg.
      3. Tørr solid 24 h. Etter dette trinnet vil løsemiddel innholdet i produktet bli eliminert. Hvis produktet ikke skal brukes umiddelbart, lagre solid i en desiccator inntil nødvendig.

2. pode MWCNT-OH med polystyren kjeder 22,23

  1. Endring av MWCNT-OH med Silylated Methacrylic Moieties
    1. Hell 2.5 g MWCNT-OH og 5 g av hydrokinon i en ren 100 mL Schlenk kolbe glass trakt og en slikkepott, fjerne trakten og innføre en magnetisk gripende bar.
    2. Angi Schlenk kolbe i reflux modus i henhold til følgende indikasjoner:
      1. Koble Schlenk kolbe til vakuum/inert gass manifold system ved hjelp av en passende gummi tubing knyttet til kolbes glass felles. Holde Flaskens manifold lukket.
      2. Koble en egnet kondensator vann systemet bruke egnet gummi tubing, og pass på å sette vann inntekt gjennom glass leddet nærmest mannlige felles.
      3. Smør mannlige felles kondensoren med et jevnt anvendt fine lag av vakuum fett.
        Merk: Felles bør ikke være over smurt å unngå kontaminering av produktet.
      4. Fest kondensatorens mannlige felles Schlenk kolbes nakke. Lukk kondensatorens kvinnelige ledd med en gummipropp.
      5. Nøye, åpne flasken til vakuum. Kontroller at nanorør ikke er sugd opp i vakuum linje under denne prosessen.
      6. Fyll Schlenk kolbe med N2 gass.
      7. Gjenta de to siste trinnene to ganger.
      8. Holde systemet under positiv N2 gasstrømmen.
    3. Hjulpet av en ren kanyle og en passende sprøyte, sakte injisere 50 mL tørr toluen gjennom gummipropp.
    4. Bruke gripende platen og termiske bad, agitere blandingen kraftig på 80 rpm eller mer og la blandingen under omrøring i 5-10 min ved romtemperatur.
    5. Bruke en ren kanyle og en sprøyte, injisere 5 mL av TMSPMA gjennom gummipropp.
    6. Still inntemperaturen 100 ° c og la reaksjonen under reflux og omrøring 12 h. Etter denne tid er silylated methacrylic moieties kjemisk par til hydroksyl grupper på MWCNTs (nemlig MWCNT-O-TMSPMA).
    7. Når reaksjonen er over, nøye fjerne gummipropp, lukker N2 strømmen og vent til kolbe er ved romtemperatur.
    8. Angi et vakuum filtreringssystem (trinn 1.2.2).
    9. Filtrere solid (trinn 1.2.3). Vask med MeOH i overkant.
    10. Tørr og lagre MWCNT-O-TMSPMA (trinn 1.2.4).
  2. Av styren på endrede MWCNTs
    1. Hell 2.5 g MWCNT-O-TMSPMA og 75 mg på azobisisobutyronitrile (SHTS) i en ren 100 mL Schlenk kolbe glass trakt og en slikkepott og fjerne trakten.
      Forsiktig: SHTS pulver bør ikke utsettes for varme eller sterkt Oksiderende stoffer, som det kan spontant eksploderer.
    2. Introdusere en magnetisk gripende bar Schlenk kolbe.
    3. Innstille Schlenk kolbe i reflux modus (trinn 2.1.2).
    4. Bruke en ren kanyle og en sprøyte, injisere 50 mL tørr toluen gjennom gummipropp.
    5. Bruke gripende platen og termiske bad, agitere blanding 80 rpm eller mer og la blandingen under omrøring i 5-10 min ved romtemperatur.
    6. Hjulpet av en ren kanyle og en sprøyte, injisere 7,5 mL styren gjennom stopperen.
    7. Still inn temperaturen til 70 ° C og la reaksjonen under reflux, omrøring og N2 12 h. Etter denne tid, er PS kjeder podet til nanotube sideveggene (MWCNT-O-PS).
    8. Åpne systemet til luft, lukke N2 flyten og kul kolbe til romtemperatur.
    9. Angi et vakuum filtreringssystem (trinn 1.2.2).
    10. Filtrere og vask solid (trinn 1.2.3). Bruk aceton stedet for MeOH under vask trinnet. Vask solide fem ganger mer med 20 mL THF fjerne ubundet polystyren.
    11. Tørr og lagre MWCNT-O-PS (trinn 1.2.4).
      Merk: Lengden på polymer kjeden podet til nanorør kan stilles ved å endre konsentrasjonen av styrene i toluen under polymerisasjon trinn; lave konsentrasjoner produsere kortere kjeder. Polymerisasjon reaksjonstid kan brukes til å justere polymer kjeden størrelsen; kortere reaksjonstid reduser lengden på kjedene. Se referanser 22 og 23 for detaljer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

TGA data var samlet inn fra uberørte nanorør, hydroxylated nanorør, nanorør endret med silylated methacrylic moieties og isopor-podet nanorør (figur 1). FT-IR resultater ble Hentet fra hydroxylated nanorør og nanorør endret med silylated methacrylic moieties (figur 2). TEM bilder ble samlet fra uberørte nanorør og isopor-podet nanorør (Figur 3). TGA dråper i massen brukes til å beregne gradvis avkastningen kjemisk endring av nanorør. 22 , 23 , 25 , 26 FT-IR brukes til å bekrefte tilstedeværelse av reaktive funksjonelle grupper introdusert til nanorør. TEM brukes til å bekrefte Anisotrop selvstendig montering av polymer-podet nanorør mot uberørte kolleger. 23

Figure 1
Figur 1 : Kvantitative karakteristikk av kjemiske modifikasjoner på Karbonnanorør. TGA kurver for uberørte MWCNTs (svart), MWCNT-OH (rød), MWCNT-O-TMSPMA (blå) og MWCNT-O-PS (grønn). Grå tekst og stiplede linjer angir temperatur soner der hver komponent er vanligvis oppdelte.

Figure 2
Figur 2 : Bekreftelse av reaktive funksjonsgrupper introdusert til Karbonnanorør. FT-IR spectra for: a) MWCNT-OH (rød) og b) MWCNT-O-TMSPMA (blå). Grå tekst og heltrukne linjer angir plasseringen av relevante band for å bekrefte tilstedeværelse av introduserte reaktive gruppene. Innsatte er skjematiske representasjoner for den endrede nanorør.

Figure 3
Figur 3 : Anisotrop selvstendig montering av polymer-podet Karbonnanorør. TEM bilder (over) fra løsninger i THF etter løsemiddel fordampning for: a) uberørte MWCNTs, b) MWCNT-O-PS. ordninger under hver micrography er en representasjon for det typiske nanoskala opptreden av nanostrukturer. Gjengitt og tilpasset fra Ref. 23 med tillatelse fra Royal Society of Chemistry.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne metoden er det noen skritt som avgjørende for å garantere en vellykket pode prosess. Bifasisk katalytisk mediert oksidasjon reaksjonen (trinn 1.1) bør først utføres med nylig spredt Karbonnanorør (trinn 1.1.1.5). Hvis spredning unviable i henhold til anbefalingene i protokollen, ville bruk av en ultralyd tips sonicator være nyttig hvis bruker samme indikasjoner (trinn 1.1.1.6). Bruke kortere MWCNTs kan også hjelpe i å løse problemer med spredning. Andre er av vakuum filtreringssystem avgjørende i rensing effektivitet (trinn 1.2.2). I denne forstand, sentrering membranen på sintered glass området filter støtte overflaten (trinn 1.2.2.5) kan resultere i membranen rynker hvis prosedyren ikke er fulgt riktig (spesielt trinn 1.2.2.5 - 1.2.2.6). Hvis sistnevnte oppstår, Gjenta trinn 1.2.2.3 til 1.2.2.5 til homogen filter vedheft er oppnådd. Alternativt også prøve med ikke-wetted membran versjoner (dvs. ikke følge trinnene 1.2.2.2 - 1.2.2.4) og observere filtrering resultatene. Bruk av tørr membraner hindrer forekomst av membran rynker under deres fiksering i trinn 1.2.2.5 - 1.2.2.6, mens, avhengig av membran materiale brukes og valgte produsenten, cutoff størrelsen kan variere mellom tørre og våte versjoner og filtrering effektivitet kan bli påvirket avhengig av kabinettet. Tredje er polymerisasjon reaksjonen siste kritiske trinn (Step 2.2). Den vanligste kilden til ineffektiv polymerisasjon er bruken av ikke-renset monomer. Pass på å bruke fersk renset styren bruke en alumina gel preparative kolonne, dekke beholderen med aluminiumsfolie beskytte monomer fra lys og holde lagret på 4 ° C til brukes. Bruk av MWCNTs med en større diameter eller kortere lengder skal ikke gjenspeile en representant variant i de endelige resultatene. Imidlertid kan begrensninger oppstå dersom SWCNTs, Dobbel-vegg carbon nanorør eller MWCNTs med kortere diameter brukes. Bruk av tre eksemplene kan føre til nedbryting av nanotube hvis oksidasjon reaksjonen (trinn 1.1.3) utføres på samme reaksjonstid. Feilsøking av sistnevnte kan gjøres ved å teste kortere ganger og TGA og FT-IR analyse for å bekrefte optimale resultater.

TGA er den enkleste metoden for å overvåke suksess i steg kjemisk endring. En direkte analyse av masse tap og Temperaturverdiene der dette skjer i TGA kurver innhentet mellom romtemperatur og 1000 ° C gir en kvantifisering av endring avkastningen i produkter (figur 1). TGA kurven for de uberørte MWCNTs utstillinger en eneste dråpe i masse mellom 550 ° C og 820 ° C i opptil 96% i vekt (svart kurve i figur 1). Dette tapet i masse tilsvarer nedbryting av nanorør når analysen utføres under luftstrøm. Utover 820 ° C er en konstant vekt observert på grunn av gjenværende uorganiske urenheter i rå produktet. Analyse oppstiller viser MWCNT-OH (rød kurve i figur 1) en ekstra svak nedgang mellom 200 ° C og 300 ° C sammenlignet med MWCNT kurven. 22 forskjellen i vekt prosent MWCNT kurven og MWCNT-OH på slutten av det tidligere området angir innholdet i hydroksyl grupper satt til nanotube sideveggene under bifasisk katalytisk mediert oksidasjon reaksjon. Typisk hydroksyl innhold for MWCNT-OH finnes mellom 2 og 5% i vekt. Dessuten, et fravær av denne ekstra vekten slipp angir at hydroksylering reaksjonen ikke oppstår. Utover at temperatur oppstår en komplett nedbryting av nanorør tidligere på 800 ° C, mens høyere temperaturer råd til en konstant vekt verdi. På den annen side, viser en typisk TGA kurve for MWCNT-O-TMSPMA to sammenhengende drops vekt under den samme luft strømningsforhold (blå kurve i figur 1). Den første masse tap finnes mellom 380 ° C og 470 ° C, som tilsvarer nedbryting av methacrylic moieties fra TMSPMA til de hydroxylic gruppene. temperatur intervallet er med litteratur22,25 for TMSPMA på samme måte satt inn til ulike typer nanostrukturer via kovalente kjemi. Den andre slippe starter på 550 ° C og slutter ved 790 ° C. Denne vekttap oppsto ved nedbryting av karbon i nanorør. Den konstante verdien i masse observert etter dette temperatur intervallet tilsvarer både gjenværende uorganiske saken fra opprinnelige nanorør og permanent silikat derivater dannet under nedbryting av TMSPMA moieties. Forholdet mellom det første vekt miste sammenlignet med andre tilsvarer innholdet i TMSPMA i nanorør. I denne forstand er vanligvis den første tap av 8 til 12% i vekt sammenlignet med den andre slippe. Fravær av det første vekt miste er bevis for feil i koblingen av TMSPMA til hydroksyl grupper. Til slutt, en representant TGA kurve for MWCNT-O-PS (grønn kurve i figur 1) viser tre klare varianter i vekt under luft, hvis sammenlignet med de uberørte kolleger. I første slipp oppstår mellom 270 ° C og 380 ° C og produseres når polystyren kjedene podet til nanorør blir nedbrutt; Dette intervallet temperatur er litteratur22,26 for PS podet på typer karbon materialer gjennom kovalente prosedyrer. Den andre vekttap starter ca. 400 ° C og slutter ved 480 ° C, som er produsert av tap av komponenten methacrylic fra TMSPMA. Den tredje slipp vises på rundt 600 ° C og ender på 780 ° C og er et resultat av nedbryting av nanorør. Forholdet mellom det første vekt miste og den tredje gir PS innholdet i polymer-podet nanorør. Typisk innhold i PS for MWCNT-O-PS finnes mellom 30% og 40% i vekt sammenlignet med nanotube innholdet. 23 mangel på det første vekt miste er bevis på svikt i polymerisasjon trinn.

Til FT-IR spectra kan være nyttig å bekrefte tilstedeværelse av de reaktive funksjonsgruppene introdusert til de uberørte MWCNTs (figur 2). Disse gruppene omfatter hydroxyls og silylated methacrylic moieties. Vanligvis viser spectra fra MWCNT-OH (rød kurve, figur 2a) en sterk bredbånd på 3427 cm-1, som tilsvarer strekking av O-H grupper. I tillegg kan en svak men klart band også finnes på 1193 cm-1 produsert av strekking av båndene mellom de aromatiske karbonatomer i nanotube veggene og OH-grupper. Tvert imot, viser spectra fra MWCNT-O-TMSPMA (blå kurve, figur 2b) en sterk band på 3442 cm-1 produsert av strekking av Si-OH obligasjoner. Samme obligasjoner produserer også to ekstra moderat båndene 1030 cm-1 og 812 cm-1, henholdsvis. I tillegg karbonyl C = O bånd i gruppen ester i methacrylic moieties råd til en svak strekker band på 1718 cm-1. Videre Si-OC bånd dannet mellom gruppen TMSPMA og nanotube gi to typiske moderat band på 1102 cm-1 og 801 cm-1, mens siste bandet er delvis overlappende til nærliggende bandet på 812 cm-1 fra Si-OH . Methacrylic C = C obligasjoner i de innsatte TMSPMA moieties gir en moderat strekking bandet på 1646 cm-1. Endelig gir Si-C obligasjoner i delen silylated en svak, men klart strekker band på 707 cm-1. Fravær av bandene 1102 cm-1 og 801 cm-1 angir to muligheter: 1) feil i kovalente kobling mellom TMSPMA og hydroksyl gruppene nanorør og 2) ineffektiv eliminering av reaktantene. Mangelen på båndene 1718 cm-1 og 1646 cm-1 viser at uønsket hydrolyse av gruppen ester oppstod under produktet rensing (f.eks ved å feilaktig vaske med syrer eller baser).

Mikroskopisk analyse av drop-cast løsninger ved hjelp av THF som løsemiddel kan vise den typiske selvtillit forsamlingen atferd i MWCNT-O-PS som ikke forekommer i uberørte kolleger (Figur 3). 23 løsninger fra uberørte MWCNTs analysert av TEM etter fordampning råd typisk tilfeldige nettverk av nanorør eller klynger (figur 3a). Tilsvarende prøver forberedt fra MWCNT-O-PS gir imidlertid justert nanostrukturer som inneholder kollineare nanorør selv sammen med veggene (figur 3b). Dette auto-organisasjon er produsert av den Anisotrop lappverk generert av polystyren kjedene podet til sideveggene av nanorør. Typiske eksempler på Self-organisert nanorør gir samlet organer som inneholder mellom to og seks nanorør overholder hverandre langs den langsgående aksen derav. Feil i polymer-pode vanligvis resulterer i fravær av at trenden.

Vi har vist en metode for å få multiwalled Karbonnanorør med Anisotrop selvtillit forsamlingen egenskaper via pode polystyren kjeder på sideveggene bruker en frie radikaler polymerisasjon rute. Slik selektiv modifikasjon av overflaten egenskapene til nanorør oppnås ved påfølgende kjemisk endring trinnene for å sette reaktive funksjonsgrupper selektivt til sideveggene. Endringene påfølgende tillate modulering av overflaten lappverk som til slutt resultatene i collinearly auto-organiserte nanostrukturer gjennom ikke-kovalente interaksjoner. Vi forventer at denne strategien kan brukes på nytt til andre akryl - eller vinyl-avledede typer polymer gir og nye hybrid materialer og sammensetninger kan oppstå i en fremtid. Videre tror vi at denne metoden åpner nye muligheter i Karbonnanorør behandling strategier under attraktive betingelser for industri og akademia.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Vi ønsker å erkjenne de FQ-PAIP og DGAPA-PAPIIT programmene fra nasjonalt i Mexico (grant tall 5000-9158, 5000-9156, IA205616 og IA205316) og nasjonalt råd for vitenskap og teknologi fra Mexico - CONACYT-(gi nummer 251533).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tetrapropylammonium bromide, 99 % (TPABr) Sigma-Aldrich 88104 Irritant, toxic
Potassium permanganate, 99 % (KMnO4) Sigma-Aldrich 223468
Acetic acid, 99.5 % Sigma-Aldrich 45726
Pristine multiwalled carbon nanotubes, 99 % (MWCNTs) Bayer Technology Services Donated sample Harmful dusts. >1 micrometer in length and 13–16 nm in outer diameter. Alternative supplier: Nanocyl, Catalog N. NC7000, website: http://www.nanocyl.com/
Sodium Chloride, 98 % (NaCl) Sigma-Aldrich S3014 Technical grade can also be used
Ethanol, 99.8 % (EtOH) Sigma-Aldrich 32221 Technical grade can also be used
Methanol, 99.8 % (MeOH) Sigma-Aldrich 322415 Highly toxic. Technical grade can also be used
Hydroquinone, 99 % Sigma-Aldrich H9003
Toluene, 99.8 % Sigma-Aldrich 244511 Anhydrous
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98 % (TMSPMA) Sigma-Aldrich 440159 Air sensitive, toxic
Azobisisobutyronitrile, 99 % (AIBN) Sigma-Aldrich 755745 Explosive
Styrene, 99 % Sigma-Aldrich S4972 Purified using an alumina gel preparative column and stored at 4 °C
Acetone, 99.5 % Sigma-Aldrich 179124 Technical grade can also be used
Tetrahydrofuran, 99.9 % (THF) Sigma-Aldrich 494461
Dichloromethane, 99.5 % Sigma-Aldrich 443484 Highly toxic
Hydrochloric acid, 37 % Sigma-Aldrich 435570 Harmful fumes

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature. 354, 56-58 (1991).
  2. Iijima, S., Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature. 363, 603-605 (1993).
  3. Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration and Properties. Acc. Chem. Res. 35, 1035-1044 (2002).
  4. Karousis, N., Tagmatarchis, N. Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 110, 5366-5397 (2010).
  5. Zhao, Y. L., Stoddart, J. F. Noncovalent Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 42, 1161-1171 (2009).
  6. Zelada-Guillén, G. A., Riu, J., Düzgün, A., Rius, F. X. Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7334-7337 (2009).
  7. Zelada-Guillén, G. A., Blondeau, P., Rius, F. X., Riu, J. Carbon Nanotube-Based Aptasensors for the Rapid and Ultrasensitive Detection of Bacteria. Methods. 63, 233-238 (2013).
  8. Jung, Y., Li, X., Rajan, N. K., Taylor, A. D., Reed, M. A. Record High Efficiency Single-Walled Carbon Nanotube/Silicon p-n Junction Solar Cells. Nano Lett. 13, 95-99 (2013).
  9. Escárcega-Bobadilla, M. V., Rodríguez-Pérez, L., Teuma, E., Serp, P., Masdeu-Bultó, A. M., Gómez, M. Rhodium Complexes Containing Chiral P-Donor Ligands as Catalysts for Asymmetric Hydrogenation in Non Conventional Media. Chem. Soc. Rev. 141, 808-816 (2011).
  10. Miners, S. A., Rance, G. A., Khlobystov, A. N. Chemical Reactions Confined within Carbon Nanotubes. Chem. Soc. Rev. 45, 4727-4746 (2016).
  11. Rege, K., Raravikar, N. R., Kim, D. Y., Schadler, L. S., Ajayan, P. M., Dordick, J. S. Enzyme-Polymer-Single Walled Carbon Nanotube Composites as Biocatalytic Films. Nano Lett. 3, 829-832 (2003).
  12. Ma, R., Menamparambath, M. M., Nikolaev, P., Baik, S. Transparent Stretchable Single-Walled Carbon Nanotube-Polymer Composite Films with Near-Infrared Fluorescence. Adv. Mater. 25, 2548-2553 (2013).
  13. De Volder, M. F. L., Tawfick, S. H., Baughman, R. H., Hart, A. J. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. Science. 339, 535-539 (2013).
  14. Lehn, J. M. Perspectives in Chemistry - Steps towards Complex Matter. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2836-2850 (2013).
  15. Mattia, E., Otto, S. Supramolecular Systems Chemistry. Nat. Nanotechnol. 10, 111-119 (2015).
  16. Leh, J. M. Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. , VCH Verlagsgesellschaft GmBH. Weinheim, Germany. (1995).
  17. Escárcega-Bobadilla, M. V., et al. Nanorings and Rods Interconnected by Self-Assembly Mimicking an Artificial Network of Neurons. Nat. Commun. 4, 2648 (2013).
  18. Gegenhuber, T., et al. Noncovalent Grafting of Carbon Nanotubes with Triblock Terpolymers: Toward Patchy 1D Hybrids. Macromolecules. 48, 1767-1776 (2015).
  19. Peng, H., Alemany, L. B., Margrave, J. L., Khabashesku, V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 125, 15174-15182 (2003).
  20. Furtado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., Ecklund, P. C. Debundling and Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes in Amide Solvents. J. Am. Chem. Soc. 126, 6095-6105 (2004).
  21. Jeon, J. H., Lim, J. H., Kim, K. M. Fabrication of Hybrid Nanocomposites with Polystyrene and Multiwalled Carbon Nanotubes with Well-Defined Polystyrene via Multiple Atom Transfer Radical Polymerization. Polymer. 50, 4488-4495 (2009).
  22. Kim, M., Hong, C. K., Choe, S., Shim, S. E. Synthesis of Polystyrene Brush on Multiwalled Carbon Nanotubes Treated with KMnO4 in the Presence of a Phase-Transfer Catalyst. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 45, 4413-4420 (2007).
  23. Oliveira, E. Y. S., Bode, R., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A., Maier, G. Polymer Nanocomposites from Self-Assembled Polystyrene-Grafted Carbon Nanotubes. New J. Chem. 40, 4625-4634 (2016).
  24. Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , John Wiley and Sons. New York, NY, USA. (1986).
  25. Bressy, C., Ngo, V. G., Ziarelli, F., Margaillan, A. New Insights into the Adsorption of 3-(Trimethoxysilyl)-propylmethacrylate on Hydroxylated ZnO Nanopowders. Langmuir. 28, 3290-3297 (2012).
  26. Wu, X., Qiu, J., Liu, P., Sakai, E., Lei, L. Polystyrene Grafted Carbon Black Synthesis via in situ Solution Radical Polymerization in Ionic Liquid. J. Polym. Res. 20, 167 (2013).

Tags

Kjemi problemet 134 Karbonnanorør pode isopor selvstendig montering Hybrid nanomaterialer kompositter syntese
Pode Multiwalled karbon nanorør polystyren aktivere selvtillit forsamlingen og Anisotrop lappverk
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Arenas-García, J.,… More

Arenas-García, J., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A. Grafting Multiwalled Carbon Nanotubes with Polystyrene to Enable Self-Assembly and Anisotropic Patchiness. J. Vis. Exp. (134), e56267, doi:10.3791/56267 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter