La oxidación en seco y vacío Recocido Tratamientos para Ajuste las propiedades humectantes de conjuntos de nanotubos de carbono
Summary
En este artículo se describe un método simple para fabricar conjuntos de nanotubos alineados verticalmente de carbono por CVD y posteriormente afinar sus propiedades humectantes exponiéndolos al vacío recocido o tratamiento de oxidación seca.
Abstract
En este artículo, se describe un método simple para sintonizar reversiblemente las propiedades de humectación de nanotubos de carbono alineados verticalmente (CNT) arrays. Aquí, las matrices de CNT se definen como densamente empaquetadas de paredes múltiples nanotubos de carbono orientadas perpendicularmente al sustrato de crecimiento como resultado de un proceso de crecimiento por el estándar de química térmica deposición de vapor (CVD) técnica. 1,2 Estos arrays CNT se exponen entonces a vacío tratamiento de recocido para hacerlos más hidrófobo o para secar tratamiento de oxidación para hacerlos más hidrófilo. Las matrices hidrófobas CNT se puede girar hidrófilo mediante la exposición a secar tratamiento de oxidación, mientras que las matrices hidrófilas CNT se puede girar hidrófoba mediante la exposición a vacío tratamiento de recocido. Usando una combinación de ambos tratamientos, las matrices de CNT puede ser repetidamente cambia entre hidrófilo e hidrófobo. 2 Por lo tanto, dicha combinación muestran un potencial muy alto en muchas aplicaciones industriales y de consumo,incluyendo el sistema de administración de fármacos y de alta densidad de potencia. supercondensadores 3-5
La clave para variar la mojabilidad de las matrices de CNT es el control de la concentración superficial de adsorbatos de oxígeno. Básicamente adsorbatos de oxígeno puede introducirse mediante la exposición de las matrices de CNT a cualquier tratamiento de oxidación. Aquí se utiliza tratamientos en seco de oxidación, tales como plasma de oxígeno y UV / ozono, para funcionalizar la superficie de CNT con grupos funcionales oxigenados. Estos grupos funcionales oxigenados permitir enlace de hidrógeno entre la superficie de CNT y las moléculas de agua para formar, haciendo que el hidrófilo CNT. Para activar los hidrófobo, oxígeno adsorbido se debe quitar de la superficie de CNT. Aquí empleamos el tratamiento de recocido de vacío para inducir proceso de desorción de oxígeno. Matrices de la CNT con concentración superficial extremadamente baja de adsorbatos de oxígeno muestran un comportamiento superhidrófobas.
Introduction
La introducción de materiales sintéticos con propiedades de humectación sintonizables ha permitido a muchas aplicaciones, incluyendo superficies autolimpiables y hidrodinámicos dispositivos de reducción de la resistencia. 6,7 Muchos estudios reportados muestran que para sintonizar con éxito las propiedades de humectación de un material, hay que ser capaz de variar su química de la superficie y la rugosidad de la superficie topográfica. 8-11 Entre muchos otros materiales sintéticos disponibles, los materiales nanoestructurados han atraído la mayor atención debido a su aspereza inherente superficie multi-escala y sus superficies pueden ser fácilmente funcionalizado por métodos comunes. Varios ejemplos de estos materiales nanoestructurados incluyen ZnO, 12,13 SiO 2, ITO 12,14, 12 y nanotubos de carbono (CNT). 15-17 Creemos que la capacidad de sintonizar reversiblemente las propiedades de humectación de CNT tiene su propia virtud ya que se consideran como uno de los materiales más prometedores para aplicaciones futurasciones.
CNT se puede girar hidrófilo por sus superficies de funcionalización con grupos funcionales oxigenados, introducidos durante un tratamiento de oxidación. Hasta la fecha, el método más común para introducir adsorbatos de oxígeno a la CNT es las técnicas húmedas bien conocidos de oxidación, que implica el uso de ácidos fuertes y agentes oxidantes tales como ácido nítrico y peróxido de hidrógeno. 18-20 Estas técnicas de oxidación húmeda son difíciles ser escalados a nivel industrial debido a cuestiones de seguridad y medioambientales y la considerable cantidad de tiempo para completar el proceso de oxidación. Además, un método de punto de secado crítico puede ser necesario emplear para minimizar el efecto de las fuerzas capilares que pueden destruir la estructura microscópica y la alineación global de la matriz CNT durante el proceso de secado. Tratamientos en seco de oxidación, tales como UV / ozono y tratamientos con plasma de oxígeno, ofrecer un proceso de oxidación más seguro, más rápido, y más controlado en comparación con el anteriormente mencionadotratamientos en húmedo de oxidación.
CNT pueden hacerse hidrófobas mediante la eliminación de los grupos funcionales oxigenados adjuntos de sus superficies. Hasta ahora, los procesos complicados están siempre involucrados en la producción de matrices CNT altamente hidrofóbicas. Típicamente, estas matrices tienen que ser recubiertas con productos químicos no humectantes, tales como PTFE, ZnO, y fluoroalkylsilane, 15,21,22 o ser pacificado por el flúor o el tratamiento de hidrocarburos de plasma, tal como CF4 y CH 4. 16,23 Aunque el tratamientos antes mencionados no son demasiado difíciles para ser escalados a nivel industrial, no son reversibles. Una vez que el CNT están expuestos a estos tratamientos, ya no se puede hacer hidrófila mediante el uso de métodos comunes de oxidación.
Los métodos presentados en este documento muestran que la humectabilidad de las matrices de CNT puede sintonizarse directamente y cómodamente a través de una combinación de oxidación en seco y vacío tratamientos de recocido (Figura 1). Oxygen unaprocesos dsorption y desorción inducida por estos tratamientos son altamente reversible debido a su carácter no destructivo y la ausencia de otras impurezas. Por lo tanto, estos tratamientos permiten matrices de CNT a ser repetidamente cambia entre hidrófilo e hidrófobo. Además, estos tratamientos son muy práctico, económico, y se puede escalar fácilmente hasta ya que se puede realizar usando cualquier horno de vacío comercial y UV / ozono o un limpiador de plasma de oxígeno.
Tenga en cuenta que las matrices alineadas verticalmente CNT utilizados aquí son cultivados por el estándar de química térmica deposición de vapor (CVD) técnica. Estas matrices se cultivan normalmente sobre sustratos revestidos de catalizador de obleas de silicio en un horno de tubo de cuarzo bajo un flujo de carbono que contiene gases precursores a una temperatura elevada. La longitud media de las matrices se puede variar desde unos pocos micrómetros a un milímetro de largo cambiando el tiempo de crecimiento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Consideramos UV / ozono tratamiento como la técnica de oxidación más conveniente, ya que se puede realizar en aire a una temperatura ambiente y presión estándar por hasta varias horas, dependiendo de la longitud de la matriz CNT y la potencia de la radiación UV. Radiación UV, generada por una alta intensidad de la lámpara de vapor de mercurio a 185 nm y 254 nm, rompe los enlaces moleculares en la pared exterior de CNT permitiendo que el ozono, se convierte simultáneamente a partir de aire por la radiación UV, …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación y la Fundación Charyk Fletcher Jones bajo el número de concesión 9900600. Los autores agradecen al Instituto Kavli de Nanociencia en el Instituto de Tecnología de California para el uso de los instrumentos de nanofabricación, el Centro de Investigación de Materiales Moleculares del Instituto Beckman en el Instituto de Tecnología de California para el uso de los XPS y póngase en contacto con goniómetro el ángulo y la División de Ciencias Geológicas y Planetarias del Instituto de Tecnología de California para el uso del SEM.
Materials
| Material Name | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| Lindberg Blue M Mini-Mite tube furnace | Thermo Scientific | TF55030A | 1″ tube furnace for CNT array growth |
| Electronic mass flow controllers | MKS | PFC-50 πMFC | Max flow rate of 1000 sccm |
| Electronic pressure controller | MKS | PC-90 πPC | Max pressure of 1000 Torr |
| 1″ quartz tube | MTI Corp. | >EQ-QZTube-25GE-610 | 1″ D x 24″ L |
| Hydrogen gas | Airgas | HY UHP200 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Ethylene gas | Matheson | G2250101 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Argon gas | Airgas | AR UHP200 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Silicon wafer | El-Cat | 2449 | With 300 nm polished thermal oxide layer |
| Iron pellets | Kurt J Lesker | EVMFE35EXEA | 99.95% purity |
| Aluminum oxide pellets | Kurt J Lesker | EVMALO-1220B | 99.99% purity |
| E-beam evaporator | CHA Industries | CHA Mark 40 | For buffer and catalyst layer deposition |
| UV/ozone cleaner | BioForce Nanosciences | ProCleaner Plus | For oxidizing CNT array |
| Oxygen plasma cleaner | PVA TePla | M4L | For oxidizing CNT array |
| Vacuum oven | VWR | 97027-664 | For deoxidizing CNT array |
| SEM | Zeiss | 1550 VP | For CNT array growth characterization |
| XPS | Surface Science | M-Probe | For surface chemistry characterization |
| Contact angle goniometer | ramé-hart | Model 190 | For wetting properties characterization |
Riferimenti
- Sansom, E., Rinderknecht, D., Gharib, M. Controlled partial embedding of carbon nanotubes within flexible transparent layers. Nanotechnology. 19, 035302 (2008).
- Aria, A. I., Gharib, M. Reversible Tuning of the Wettability of Carbon Nanotube Arrays: The Effect of Ultraviolet/Ozone and Vacuum Pyrolysis Treatments. Langmuir. 27, 9005-9011 (2011).
- Lee, S. W., et al. High-power lithium batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes. Nat. Nano. 5, 531-537 (2010).
- Aria, A. I., Gharib, M. Effect of Dry Oxidation on the Performance of Carbon Nanotube Arrays Electrochemical Capacitors. MRS Proceedings. 1407, (2012).
- Bianco, A., Kostarelos, K., Prato, M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Current Opinion in Chemical Biology. 9, 674-679 (2005).
- Scardino, A. J., Zhang, H., Cookson, D. J., Lamb, R. N., Nys, R. d. The role of nano-roughness in antifouling. Biofouling: The Journal of Bioadhesion and Biofilm Research. 25, 757-767 (2009).
- Rothstein, J. Slip on Superhydrophobic Surfaces. Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 89-109 (2010).
- Emsley, J. Very strong hydrogen-bonding. Chemical Society Reviews. 9, 91-124 (1980).
- Bhushan, B., Jung, Y., Koch, K. Micro- nano- and hierarchical structures for superhydrophobicity, self-cleaning and low adhesion. Philosophical Transactions – Royal Society. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 367, 1631-1672 (2009).
- Krupenkin, T., Taylor, J., Schneider, T., Yang, S. From rolling ball to complete wetting: The dynamic tuning of liquids on nanostructured surfaces. Langmuir. 20, 3824-3827 (2004).
- Sun, T., et al. Control over the Wettability of an Aligned Carbon Nanotube Film. Journal of the American Chemical Society. 125, 14996-14997 (2003).
- Ebert, D., Bhushan, B. Transparent, Superhydrophobic, and Wear-Resistant Coatings on Glass and Polymer Substrates Using SiO2, ZnO, and ITO Nanoparticles. Langmuir. 28, 11391-11399 (2012).
- Feng, X., et al. Reversible Super-hydrophobicity to Super-hydrophilicity Transition of Aligned ZnO Nanorod Films. Journal of the American Chemical Society. 126, 62-63 (2003).
- Xu, L., Karunakaran, R. G., Guo, J., Yang, S. Transparent, Superhydrophobic Surfaces from One-Step Spin Coating of Hydrophobic Nanoparticles. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 1118 (2012).
- Lau, K., et al. Superhydrophobic carbon nanotube forests. Nano Letters. 3, 1701-1705 (2003).
- Hong, Y., Uhm, H. Superhydrophobicity of a material made from multiwalled carbon nanotubes. Applied Physics Letters. 88, 244101 (2006).
- Lee, C. H., Johnson, N., Drelich, J., Yap, Y. K. The performance of superhydrophobic and superoleophilic carbon nanotube meshes in water-oil filtration. Carbon. 49, 669-676 (2011).
- Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of Graphitic Oxide. Journal of the American Chemical Society. 80, 1339 (1958).
- Park, S., Ruoff, R. Chemical methods for the production of graphenes. Nature Nanotechnology. 4, 217-224 (2009).
- Peng, Y., Liu, H. Effects of Oxidation by Hydrogen Peroxide on the Structures of Multiwalled Carbon Nanotubes. Industrial & Engineering Chemistry Research. 45, 6483-6488 (2006).
- Huang, L., et al. Stable superhydrophobic surface via carbon nanotubes coated with a ZnO thin film. The Journal of Physical Chemistry. B. 109, 7746-7748 (2005).
- Feng, L., et al. Super-Hydrophobic Surfaces: From Natural to Artificial. Advanced Materials. 14, 1857-1860 (2002).
- Cho, S., Hong, Y., Uhm, H. Hydrophobic coating of carbon nanotubes by CH4 glow plasma at low pressure, and their resulting wettability. Journal of Materials Chemistry. 17, 232-237 (2007).
- Stalder, A., Kulik, G., Sage, D., Barbieri, L., Hoffmann, P. A snake-based approach to accurate determination of both contact points and contact angles. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects. , 286-2892 (2006).
- Naseh, M. V., et al. Fast and clean functionalization of carbon nanotubes by dielectric barrier discharge plasma in air compared to acid treatment. Carbon. 48, 1369-1379 (2010).
- Mawhinney, D. Infrared spectral evidence for the etching of carbon nanotubes: Ozone oxidation at 298 K. Journal of the American Chemical Society. 122, 2383-2384 (2000).
- Sham, M., Kim, J. Surface functionalities of multi-wall carbon nanotubes after UV/Ozone and TETA treatments. Carbon. 44, 768-777 (2006).
- Banerjee, S., Wong, S. Rational sidewall functionalization and purification of single-walled carbon nanotubes by solution-phase ozonolysis. The Journal of Physical Chemistry. B. 106, 12144-12151 (2002).
- Xu, T., Yang, J., Liu, J., Fu, Q. Surface modification of multi-walled carbon nanotubes by O2 plasma. Applied Surface Science. 253, 8945-8951 (2007).
- Felten, A., Bittencourt, C., Pireaux, J. J., Van Lier, G., Charlier, J. C. Radio-frequency plasma functionalization of carbon nanotubes surface O2, NH3, and CF4 treatments. Journal of Applied Physics. 98, 074308 (2005).
- Chen, C., Liang, B., Ogino, A., Wang, X., Nagatsu, M. Oxygen Functionalization of Multiwall Carbon Nanotubes by Microwave-Excited Surface-Wave Plasma Treatment. The Journal of Physical Chemistry C. 113, 7659-7665 (2009).
