Torr Oxidation och vakuum härdningsbehandlingar för avstämning av vätningsegenskaperna hos Arrays Nanorör
Summary
Den här artikeln beskriver en enkel metod att tillverka vertikalt inriktade arrayer Nanorör av CVD och därefter ställa sina vätningsegenskaper genom att utsätta dem att dammsuga glödgning eller torr oxidation behandling.
Abstract
I den här artikeln beskriver vi en enkel metod för att reversibelt finjustera vätande egenskaper vertikalt inriktade Nanorör (CNT) arrayer. Här, är CNT arrayer definieras som tätt packade flerväggiga kolnanorör orienterade vinkelrätt mot tillväxten substratet som ett resultat av en tillväxtprocess av standarden termiska kemisk ångavsättning (CVD) teknik. 1,2 Dessa CNT arrayer exponeras sedan för vakuum glödgningsbehandling för att göra dem mer hydrofoba eller för att torka oxidationsbehandling för att göra dem mer hydrofila. De hydrofoba CNT arrayer kan vridas hydrofil genom att exponera dem för att torka oxidationsbehandling, medan de hydrofila CNT arrayer kan vridas hydrofob genom att exponera dem för vakuum glödgningsbehandling. Med en kombination av båda behandlingarna kan CNT arrayer gånger växlas mellan hydrofila och hydrofoba. 2 Därför sådan kombination visar en mycket hög potential i många industri-och konsumentprodukter applikationer,inklusive drug delivery system och hög effekt superkondensatorer densitet. 3-5
Nyckeln för att variera vätbarheten hos CNT arrayer är att styra ytkoncentrationen av syre adsorbat. I princip syre adsorbat kan införas genom att exponera CNT arrayer någon oxidationsbehandling. Här använder vi torra oxidation behandlingar, såsom syreplasma och UV / ozon, för att funktionalisera ytan av CNT med oxygenerade funktionella grupper. Dessa oxygenerade funktionella grupper tillåter vätebindning mellan ytan av CNT och vattenmolekyler till formen, gör CNT hydrofila. Att vända dem hydrofoba, måste adsorberade syre avlägsnas från ytan av CNT. Här använder vi vakuum glödgningsbehandling att inducera process syre desorption. CNT arrayer med extremt låg ytkoncentration av syre adsorbat uppvisar en superhydrophobic beteende.
Introduction
Införandet av syntetiska material med avstämbara vätningsegenskaper har gjort många tillämpningar, inklusive självrengörande ytor och hydrodynamiska dra anordningar för. 6,7 Många rapporterade studier visar att framgångsrikt ställa de vätande egenskaper hos ett material, har en att kunna variera sin ytkemi och topografisk ytråhet. 8-11 Bland många andra tillgängliga syntetiska material har nanostrukturerade material lockat de flesta av uppmärksamhet på grund av deras inneboende flera skalas ytråhet och deras ytor lätt kan funktionaliseras genom vanliga metoder. Flera exempel på dessa nanostrukturerade material innefattar ZnO, 12,13 SiOj 2, 12,14 ITO, 12 och kolnanorör (CNT). 15-17 Vi tror att förmågan att reversibelt avstämma vätningsegenskaperna hos CNT har sin egen kraft, eftersom de betraktas som en av de mest lovande material för framtida tillämpningningar.
CNT kan vridas hydrofil genom funktionalisering deras ytor med syresatt funktionella grupper, som infördes under en oxidation behandling. Hittills är den vanligaste metoden för att införa syre adsorbat till CNT de välkända våta oxidationstekniker, inbegriper användning av starka syror och oxidationsmedel, såsom salpetersyra och väteperoxid. 18-20 Dessa våtoxidation tekniker är svåra att skalas upp till industriell nivå på grund av säkerhets-och miljöfrågor och avsevärd tid att slutföra oxidationsprocessen. Dessutom kan en kritisk punkt torkning metoden måste användas för att minimera effekten av kapillärkrafter som kan förstöra den mikroskopiska strukturen och den övergripande inriktningen av CNT array under torkprocessen. Torra oxidation behandlingar, såsom UV / ozon och syre behandlingar plasma, erbjuda en säkrare, snabbare och mer kontrollerad oxidationsprocess jämfört med tidigare nämndavåtoxidation behandlingar.
CNT kan göras hydrofoba genom att avlägsna de bifogade oxygenerade funktionella grupper från sina ytor. Hittills är komplicerade processer alltid engagerade i att producera mycket hydrofoba CNT matriser. Typiskt har dessa matriser måste beläggas med icke-vätande kemikalier, såsom PTFE, ZnO och fluoroalkylsilane, 15,21,22 eller lugnas med fluor eller kolväte plasmabehandling, såsom CF4 och CH 4. 16,23 Även ovannämnda behandlingar är inte alltför svårt att skalas upp till industriell nivå, de är inte reversibel. När CNT exponeras för dessa behandlingar, kan de inte längre göras hydrofilt genom att använda gemensamma oxidationsmetoder.
De metoder som presenteras häri visar att vätbarheten hos CNT arrayer kan avstämmas rakt och bekvämt genom en kombination av torr oxidation och vakuum härdningsbehandlingar (figur 1). Syre endsorption och desorption processer som induceras av dessa behandlingar är mycket reversibla på grund av deras icke-destruktiv karaktär och frånvaron av andra föroreningar. Därför är dessa behandlingar tillåter CNT arrayer kan upprepat kopplas mellan hydrofil och hydrofob. Vidare, dessa behandlingar är mycket praktisk, ekonomisk och lätt kan skalas upp, eftersom de kan utföras med användning av någon kommersiell vakuumugn och UV / ozon eller syrgasplasma rengöringsmedel.
Observera att de vertikalt inriktade CNT arrayer används här odlas av standarden termiska kemisk förångningsdeposition (CVD) teknik. Dessa arrayer typiskt odlas på katalysator substrat kiselskiva i en kvarts rörugn under ett flöde av kol innehållande prekursorer gaser vid en förhöjd temperatur. Den genomsnittliga längden av uppsättningarna kan varieras från ett fåtal mikrometer till en millimeter lång genom att ändra tillväxt tiden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi anser UV / ozon behandlingen som det mest praktiska oxidationen tekniken eftersom den kan utföras i luft vid en normal rumstemperatur och tryck upp till flera timmar, beroende på längden av CNT arrayen och kraften av UV-strålningen. UV-strålning, som genereras av en hög intensitet kvicksilverånglampa vid 185 nm och 254 nm, bryter de molekylära bindningarna på den yttre väggen av CNT tillåter ozon, omvandlas samtidigt från luft genom UV-strålning, för att oxidera deras yta. 26,27 Oxidationspro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Charyk Foundation och The Fletcher Jones Foundation i licensnummer 9.900.600. Författarna tacksamt erkänner Kavli nanovetenskap Institute vid California Institute of Technology för användning av nanofabrikation instrument, Molecular Materials Research Center i Beckman Institute vid California Institute of Technology för användning av XPS och kontakta vinkel goniometer, och avdelningen för Geologiska och Planetary Sciences i California Institute of Technology för användning av 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 |
References
- 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).
