深入了解多壁碳纳米管的结构

虽然拉曼光谱是一种功能强大且无损的化学分析，但由于其不均匀性，结构复杂性和复杂的层间范德华（vdW）相互作用，其用于表征多壁碳纳米管（MWCNTs）的应用具有挑战性。

研究：Role of Mechanical van der Waals Coupling in the G-Band Splitting of Individual Multiwall Carbon Nanotubes。图片来源：lucadp/Shutterstock.com

然而，单个多壁碳纳米管中的不均匀性和vdW相互作用可以通过组合分析技术进行研究，包括原子力显微镜（AFM），偏振拉曼成像和光谱学，通过制备电弧放电（AD）多壁碳纳米管粉末的片上纯化。

发表在《物理化学杂志》C上的一篇文章讨论了在分散过程的超声处理阶段通过提取多壁碳纳米管的内层，通过拉曼信号确定的单个AD多壁碳纳米管的不均匀性。

在测试的AD多壁碳纳米管中，观察到拉曼活性G波段的分裂，并根据不同的层间vdW耦合作为层间距离和直径的函数来描述。

此外，利用拉曼映射和高级数据拟合研究了多壁碳纳米管的极化行为，导致拉曼响应不均匀。因此，本研究深入探讨了不均匀的多壁碳纳米管，并通过拉曼光谱研究了基于崩解单壁碳纳米管（SWCNTs）的一维（1D）摩尔纹晶体和多壁碳纳米管。

利用拉曼光谱研究多壁碳纳米管

多壁碳纳米管是碳纳米管的一种特殊形式，其中多个单壁碳纳米管相互嵌套。由于 sp，它们在机械上很坚固²碳-碳键的类型。它们的特点是外侧的表面积大，内侧宽阔的空心，通常用于封装和分子接枝。

多壁碳纳米管的光学和电子性能由单个壁的金属和半导体性质决定，这取决于直径和卷起（手性）角赋予的可变带隙。此外，多壁碳纳米管的电子能带结构由于可调的vdW电子耦合和摩尔纹干扰而具有平坦的带或伪间隙。

拉曼光谱是一种分析技术，其中散射光用于测量样品的振动能量模式。拉曼效应源于光的非弹性散射，可以直接探测样品中的振动/旋转振动状态。

拉曼光谱产生有关纯度，缺陷和管对准的信息，并有助于区分相对于其他碳同素异形体的多壁碳纳米管的存在。不幸的是，解释多壁碳纳米管的光谱通常非常复杂，并且尚未产生与单壁碳纳米管拉曼光谱仪类似的范围输出。

多壁碳纳米管的表征

表征多壁碳纳米管是许多基础研究的先决条件。共振拉曼光谱（RRS）可以作为该框架中的一种强大技术，该技术以前为SWCNT提供了大量信息。然而，多壁碳纳米管的不均匀性、结构复杂性和复杂的层间vdW相互作用限制了RRS技术的应用，并且没有产生类似的输出。

在本研究中，研究了结构不均匀性和机械vdW耦合的作用，通过AFM，RRS测量和偏振拉曼成像来表征单个多壁碳纳米管。

通过片上纯化方法从AD合成的版本中获得纯单个多壁碳纳米管。研究结果表明，来自AD-多壁碳纳米管的拉曼信号的不均匀性是由于通过分散过程的超声处理步骤提取或损坏内层。

在拉曼活性G波段的分裂下，报告了分离的单个多壁碳纳米管，该裂隙被描述为不同层间机械vdW耦合以及层间距离和直径的函数。因此，本研究增加了对结构不均匀的多壁碳纳米管的见解，从而可以区分多壁碳纳米管和一维摩尔纹晶体。

结论

综上所述， AD多壁碳纳米管拉曼信号的不均匀性归因于分散过程中内层的提取或损伤.此外，还根据层间机械vdW耦合的影响解释了单个多壁碳纳米管中的拉曼活性G波段分裂。

最终，本研究揭示了一种通过拉曼映射和高级数据拟合的非均匀拉曼响应来确定多壁碳纳米管极化行为的实用方法，这也有助于识别天线效应。因此，本研究深入探讨了多壁碳纳米管的结构，并区分了多壁碳纳米管和一维摩尔纹晶体。

参考

Avramenko, M. V., Hokkanen, M. J., Slabodyan, Y., Ahlskog, M., Levshov, D.I. (2022). Role of Mechanical van der Waals Coupling in the G–Band Splitting of Individual Multiwall Carbon Nanotubes. The Journal of Physical Chemistry C. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c03590