Denne artikel beskriver en enkel metode til at fremstille lodret kulstof nanorør arrays med CVD og efterfølgende tune deres befugtningsegenskaber ved at udsætte dem for støvsuge udglødning eller tør oxidation behandling.
I denne artikel beskriver vi en enkel metode til reversibelt tune befugtningsegenskaber ved lodret kulstof nanorør (CNT) arrays. Her er CNT arrays defineret som tætpakket flervæggede kulstof-nanorør orienteret vinkelret på dyrkningsmediet som et resultat af en vækstproces ved standard termisk kemisk dampudfældning (CVD) teknik. 1,2 Disse CNT arrays udsættes derefter for vakuum annealing behandling for at gøre dem mere hydrofobe, eller for at tørre oxidationsbehandling for at gøre dem mere hydrofile. De hydrofobe CNT arrays kan drejes hydrofil ved at udsætte dem tørre oxidationsbehandling, medens de hydrofile CNT arrays kan drejes hydrofobe ved at udsætte dem for vakuum annealing behandling. Ved hjælp af en kombination af begge behandlinger, kan CNT arrays gentagne gange skiftes mellem hydrofile og hydrofobe. 2 Derfor, efter at kombinationen viser et meget stort potentiale i mange industri-og forbrugerprodukter,herunder drug delivery system og høj effekttæthed supercapacitors. 3-5
Nøglen til at differentiere befugteligheden af CNT arrays er at kontrollere overfladekoncentration af oxygen adsorbater. Grundlæggende oxygen adsorbater kan indføres ved at eksponere CNT arrays til en oxidationsbehandling. Her bruger vi tør oxidation behandlinger, såsom oxygenplasma og UV / ozon, at funktionalisere overfladen af CNT med oxygenerede funktionelle grupper. Disse oxygenerede funktionelle grupper tillader hydrogenbinding mellem overfladen af CNT og vandmolekyler i form, hvilket gør CNT hydrofile. At gøre dem hydrofobe, skal adsorberet oxygen fjernes fra overfladen af CNT. Her beskæftiger vi vakuum annealing behandling for at inducere oxygen desorptionsproces. CNT arrays med ekstremt lav overfladekoncentration af oxygen Absorbater udviser en superhydrophobic adfærd.
Indførelsen af syntetiske materialer med afstemmelige befugtningsegenskaber har muliggjort mange anvendelser inklusive selvrensende overflader og hydrodynamiske modstandsreduktion enheder. 6,7 Mange rapporterede undersøgelser viser, at med succes tune befugtningsegenskaber af et materiale, man være i stand til at variere sin overflade kemi og topografisk overfladeruhed. 8-11 Blandt mange andre tilgængelige syntetiske materialer, har nanostrukturerede materialer tiltrukket mest opmærksomhed på grund af deres iboende multi-skaleret overfladeruhed og deres overflader kan let funktionaliseret ved almindelige metoder. Adskillige eksempler på disse nanostrukturerede materialer indbefatter ZnO, 12,13 SiO2, 12,14 ITO, 12 og kulstof-nanorør (CNT). 15-17 Vi mener, at evnen til reversibelt at tune befugtningsegenskaber af CNT har sin egen kraft, idet de betragtes som et af de mest lovende materialer til fremtidig anvendelsetioner.
CNT kan drejes hydrofile ved funktionalisere deres overflader med oxygenerede funktionelle grupper, der blev indført under en oxidation behandling. Til dato er den mest almindelige metode til at indføre ilt adsorbater til CNT de kendte våde oxidationsteknikker, der indebærer brug af stærke syrer og oxidationsmidler, såsom salpetersyre og hydrogenperoxid. 18-20 Disse våde oxidationsteknikker er vanskelige at skaleres op til industrielt niveau på grund af sikkerheds-og miljøspørgsmål og betydelig mængde tid til at fuldføre oxidation processen. Desuden kan et kritisk punkt tørring fremgangsmåde skal anvendes til at minimere virkningen af kapillarkræfter, som kan ødelægge den mikroskopiske struktur og samlet justering af CNT arrayet under tørreprocessen. Tørre oxidation behandlinger, såsom UV / ozon og oxygen plasma behandlinger, tilbyde en sikrere, hurtigere og mere kontrolleret oxidation proces i forhold til ovennævntevådoxidation behandlinger.
CNT kan gøres hydrofobe ved at fjerne de vedføjede dige funktionelle grupper fra deres overflader. Hidtil er komplicerede processer altid involveret i produktion stærkt hydrofobe CNT arrays. Typisk har disse arrays skal overtrækkes med ikke-befugtende kemikalier, såsom PTFE, ZnO, og fluoroalkylsilane, 15,21,22 eller pacificeret med fluor eller carbonhydrid plasmabehandling, såsom CF4 og CH4. 16,23 Skønt ovennævnte behandlinger er ikke alt for svært at blive skaleret op til industrielt niveau, er de ikke fortrydes. Når CNT udsættes for disse behandlinger, kan de ikke længere gøres hydrofilt ved at anvende almindelige oxidationsmetoder.
Fremgangsmåderne præsenteret heri viser, at befugteligheden af CNT arrays kan indstilles ligefrem og bekvemt via en kombination af tør oxidation og vakuum annealing behandlinger (figur 1). Oxygendsorption og desorption processer fremkaldt af disse behandlinger er meget reversible på grund af deres ikke-destruktiv karakter og fraværet af andre urenheder. Derfor er disse behandlinger giver CNT arrays kan gentagne gange skiftes mellem hydrofil og hydrofob. Desuden er disse behandlinger er meget praktisk, økonomisk og let kan skaleres op, idet de kan udføres under anvendelse af kommercielt vakuumovn og UV / ozon eller oxygen plasma renere.
Bemærk, at de vertikalt afstemt CNT arrays, der anvendes her dyrkes ved standard termisk kemisk dampudfældning (CVD) teknik. Disse arrays dyrkes typisk på katalysator overtrukne silicium wafer substrater i et kvartsrør ovn under en strøm af carbonholdigt precursor gasser ved en forhøjet temperatur. Den gennemsnitlige længde af arrays kan varieres fra nogle få mikrometer til en mm lange ved at ændre væksten tid.
Vi anser UV / ozon behandling som den mest bekvemme oxidation teknik, fordi den kan udføres i luft ved en standard stuetemperatur og tryk i op til flere timer, afhængigt af længden af CNT arrayet og kraften af UV-strålingen. UV-stråling, frembringes af en høj intensitet kviksølvdamplampe ved 185 nm og 254 nm, bryder de molekylære bindinger på den ydre væg af CNT tillade ozon, omdannes samtidigt fra luft ved UV-stråling, til at oxidere overfladen. 26,27 oxidationsprocessen standses, når…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Charyk Foundation og The Fletcher Jones Foundation under tilskud nummer 9.900.600. Forfatterne takker den Kavli Nanoscience Institute på California Institute of Technology for brug af nanofabrikation instrumenter, Molecular Materials Research Center i Beckman Institute på California Institute of Technology for brug af XPS og kontakt goniometer, og afdelingen for Geologiske og Planetary Sciences fra California Institute of Technology for brug af SEM.
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 |