科学家们已经开发出一种酸基溶剂，这种溶剂可以简化碳纳米管的处理过程，毒性更小，易于在工业上规模化应用。
氯磺酸和发烟硫酸是将无序碳纳米管(CNTs)转化为精确且功能强大的形态的理想溶剂。目前，由于化学相容性限制了设备和基材的选择，使用挤出技术处理这些溶剂存在复杂性。
近日，莱斯大学的科学家们科研人员提出了一种基于低腐蚀性的甲烷磺酸或对甲苯磺酸的新型酸溶剂体系，在浓度高达10 g/l(≈0.7%vol)的情况下，可以形成真正的CNTs溶液。这种溶剂系统的通用性通过在传统制造工艺中的应用得到了证明，如槽模涂层、溶液纺丝连续纤维和3D打印气凝胶。通过连续槽镀膜，我们以工业相关的生产速度实现了最先进的光电性能（83.6 %T 和 14 欧姆/平方）。这项工作为将碳纳米管加工成具有适用于广泛应用的先进材料建立了实用且有效的方法。
当用莱斯大学开发的溶剂处理碳纳米管时，在显微镜图像中看到的意大利面条状的缠结将不再是问题。这种溶剂将使碳纳米管的应用超越导电纤维的生产，包括3D和卷对卷打印。
图片来源：Pasquali 研究小组
Matteo Pasquali的Rice实验室在 Science Advances 上报道称，他们发现了一种独特的酸的组合，有助于在溶液中分离碳纳米管，并将它们转化为薄膜、纤维或其他具有优异电气和机械性能的材料。
这项由研究生 Robert Headrick 和研究生 Steven Williams 共同领导的研究报告称，这种溶剂与传统的制造工艺兼容。这将有助于它在许多应用的先进材料的生产中找到一席之地。
“人们越来越意识到，增加铜、铝和镍的开采可能不是一个好主意，”莱斯大学的 AJ Hartsook 教授 Pasquali 说。他还是莱斯碳中心的负责人，该中心旨在促进先进碳材料的发展以造福环境。
“但利用碳氢化合物作为我们的矿石是一个巨大的机会，”他说。“有鉴于此，我们需要尽可能扩大碳材料的使用范围，特别是在碳材料可以替代金属、以碳氢化合物为原料进行可持续生产的领域。” Pasquali 指出，这些制造过程也能产生清洁的氢。
“碳很丰富，我们控制着供应链，我们知道如何以对环境负责的方式将其释放出来，”他说。
一种更好的处理碳的方法将会有所帮助。该溶剂基于甲烷磺酸(MSA)、对甲苯磺酸(pToS)和发烟酸，当它们结合使用时，其腐蚀性低于目前用于在溶液中处理碳纳米管的溶剂。分离碳纳米管(研究人员称之为溶解)是必要的步骤，然后它们才能通过针头或其他设备被挤出，在那里剪切力有助于将它们变成常见的纤维或薄片。
发烟硫酸和氯磺酸长期以来一直被用来溶解碳纳米管而不改变其结构，但它们都具有很强的腐蚀性。通过将发烟硫酸与两种较弱的酸结合，该团队开发了一种广泛适用的工艺，使碳纳米管产品的新制造成为可能。
图1. CNTs在各种酸中的溶解过程及光学成像
“发烟硫酸围绕着每个单独的纳米管，并赋予它非常局部的正电荷，”现在是壳牌研究科学家的Headrick 说。“电荷使它们相互排斥。”
解缠结后，较温和的酸进一步分离碳纳米管。他们发现 MSA 最适合纤维纺丝和卷对卷薄膜生产，而 pToS 是一种在 40 摄氏度下熔化的固体，在3D打印应用中特别有用，因为它允许碳纳米管溶液在中等温度下处理，然后通过冷却固化。
图4. 溶液纺丝CNT纤维
研究人员使用这些稳定的液晶溶液以现代和传统方式制造产品，将碳纳米管气凝胶和丝网印刷图案 3D 打印到包括玻璃在内的各种表面上。
莱斯大学的一个实验室开发了一种溶剂，使碳纳米管的新应用成为可能。在这里，用这种工艺制成的纳米管墨水被用于传统的丝网印刷。
图片来源：Pasquali 研究小组
这些解决方案还使可以用作电极的透明薄膜的卷对卷生产成为可能。“老实说，我有点惊讶它的效果有多好，”Headrick 说。“第一次尝试就完美无缺了。”
图3. 连续生产高性能碳纳米管电极
研究人员指出，发烟硫酸仍然需要小心处理，但一旦用其他酸稀释，这种溶液对其他物质的腐蚀性就小得多。
“我们使用的酸非常温和，您可以将它们与普通塑料一起使用，”Headrick 说。“这为制造设施中已经采用的许多材料加工和印刷技术打开了大门。
他说：“将碳纳米管集成到其他设备中，作为设备制造过程中的一个步骤，将它们沉积下来，这也非常重要。”
他们报告说，腐蚀性较低的溶液不会释放有害气体，而且在生产后更容易清理。MSA和pToS也可以在加工碳纳米管后回收，降低其对环境的影响、能源和加工成本。
Williams说，下一步是为应用微调溶剂，并确定手性和尺寸等因素如何影响碳纳米管加工。“我们拥有高质量、干净、大直径的碳管真的很重要，”他说。
文献信息：
Robert J. Headrick, Steven M. Williams, Crystal E. Owens, Lauren W. Taylor, Oliver S. Dewey, Cedric J. Ginestra, Lucy Liberman, Asia Matatyaho Ya’akobi, Yeshayahu Talmon, Benji Maruyama, Gareth H. McKinley, A. John Hart, Matteo Pasquali. Versatile acid solvents for pristine carbon nanotube assembly. Science Advances, 2022; 8 (17) DOI: 10.1126/sciadv.abm3285
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