Podning Multiwalled kulstof-nanorør med polystyren aktivere samlesæt og anisotrope Patchiness
Summary
En procedure for syntesen af polystyren-podede multiwalled kulstof-nanorør ved hjælp af successive kemiske modifikation trin til selektivt introducere polymer kæder til dæksider og deres samlesæt via anisotrope patchiness er præsenteret.
Abstract
Vi demonstrere en enkel protokol for at pode uberørte multiwalled kulstof-nanorør (MWCNTs) med polystyren (PS) kæder på sidevæggene gennem en frie radikaler polymerisering strategi at aktivere graduering af nanorør overflade egenskaber og producere Supramolekylær samlesæt af nanostrukturer. Først, en selektiv hydroxylering af den uberørte nanorør gennem et bifasisk katalytisk medierede oxidation reaktion skaber overfladisk distribuerede reaktive steder på dæksider. De sidstnævnte reaktive steder er efterfølgende ændret med methacrylsyre fraspaltning ved hjælp af en silyleret methacrylsyre forløber til at oprette polymerizable websteder. De polymerizable grupper kan behandle yderligere polymerisering af styren til at producere en hybrid nanomateriale indeholdende PS kæder podet til nanorør sidevægge. Polymer-graft indhold, mængden af silyleret methacrylsyre fraspaltning indført og hydroxylering ændring af nanorør er identificeres og kvantificeres ved Thermogravimetric analyse (TGA). Tilstedeværelsen af reaktive funktionelle grupper hydroxyl og silyleret methacrylat er bekræftet af Fourier Transform infrarødspektroskopi (FT-IR). Polystyren-podet kulstof nanorør løsninger i tetrahydrofuran (THF) give, væg til væg-collinearly selvsamlede nanorør når farvestik prøver analyseres af transmissions Elektron Mikroskopi (TEM). Disse selv-assemblies opnås ikke når egnet blanks er ligeledes støbt fra analoge løsninger der indeholder ikke-podede modstykker. Derfor, denne metode giver mulighed for ændring af nanorør anisotrope patchiness på dæksider, hvilket resulterer i spontan auto-organisation på nanoplan.
Introduction
Siden opdagelsen af single-walled kulstof-nanorør (SWCNTs),1,2 de videnskabelige samfund har anvendt deres fremragende elektriske, mekaniske og termiske egenskaber3 i en bred vifte af banebrydende programmer af modulere deres overflade egenskaber via kovalente4 og non-kovalente5 strategier. Disse programmer er eksempler på deres anvendelse som transducere i sensorer,6,7 elektroder i solceller,8 heterogene understøtter i katalyse,9 nanoreactors i syntese,10 groedehindrende agenter i beskyttende film,11 fyldstoffer i kompositmaterialer,12osv. Dog er mulighed for at modulere overflade egenskaber af deres mere robuste, men industrielt tilgængelige multiwalled modparter nemlig, MWCNTs, til at styre tekstretning i deres non-kovalente interaktioner på nanoskala, forblevet en vanskelig opgave indtil nu. 13
Supramolekylær samlesæt af molekylære byggesten er en af de mest alsidige strategier til at styre organisationen af sagen på nanoplan. 14 , 15 i denne forstand, Supramolekylær interaktioner indebærer retningsbestemt, kortrækkende og mid-range non-kovalente interaktioner som H-bond, Van der Waals, dipol-dipol, ion-dipol, dipol-induceret dipol, π π stabling, kation-π, anion-π, coulombic, blandt andre. 16 desværre retningslinier i samlesæt for større strukturer såsom MWCNTs er ikke spontan og normalt kræver eksterne motiv kræfter (fx skabeloner eller energi varmeafledning systemer). 17 en nylig rapport anvendes non-kovalente indpakning af nanorør med skræddersyede Co polymerer til at forfølge det sidstnævnte mål,18 men kovalente strategier for at tilbyde nye alternativer for at løse dette problem er forblevet næppe udforsket.
Kemisk modifikation af kulstof-nanorør kan foretages selektivt for at indføre forskellige funktionelle grupper til termini eller til dæksider af det samme. 19 , 20 er en af de mest nyttige metoder til at skræddersy de overflade egenskaber i carbon nanostrukturer polymer-podning gennem standard polymerisering ruter. Typisk, disse metoder indebærer den indledende introduktion af polymerizable eller initiativtager grupper (akryl, vinyl, osv.) på nanostrukturer overflade og deres successive polymerisering med en egnet monomer. 21 i forbindelse med MWCNTs, den kovalente indførelsen af polymer kæder på sidevæggene til at styre deres patchiness i en anisotrope mode er forblevet en udfordring.
Her vil vi vise, hvordan en række enkle kemiske modifikation trin22,23 kan anvendes til at indsætte PS kæder på dæksider af MWCNTs for at ændre deres overflade patchiness og fremme deres anisotrope samlesæt23 på nanoplan. Under ruten ændring giver et første skridt til den selektive hydroxylering af uberørte MWCNTs på dæksider ved at følge et bifasisk medieret katalytisk oxidation reaktion for at udbytte de hydroxyleret modstykker nemlig MWCNT-OH. Et andet skridt bruger 3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylat (TMSPMA) at indføre silyleret methacrylsyre fraspaltning til de tidligere oprettet hydroxylgrupper (MWCNT-O-TMSPMA). Disse skær giver overfladen reaktive steder i løbet af en tredje trin, når styren monomer er polymeriserede fra methacrylsyre fraspaltning således giver polymer kæder podet til dæksider af nanorør for enden (dvs. MWCNT-O-PS).
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne metode er der nogle skridt, som medfører afgørende for at sikre en vellykket podning proces. Først, bør der foretages bifasisk katalytisk medierede oxidation reaktion (trin 1.1), med seneste spredte kulstof-nanorør (trin 1.1.1.5). Hvis spredning resulterer urentable ifølge henstillingerne i protokollen, ville anvendelsen af en ultralyd tip sonikator være nyttigt, hvis du bruger de samme angivelser (trin 1.1.1.6). Ved hjælp af kortere MWCNTs kan også hjælpe med at løse spredning spørgsmål. Andet, inds…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne anerkende FQ-PAIP og DGAPA-PAPIIT programmerne fra nationale autonome universitet i Mexico (grant nummer 5000-9158, 5000-9156, IA205616 og IA205316) og det Nationalråd for videnskab og teknologi fra Mexico – CONACYT-(giver nummer 251533).
Materials
| Tetrapropylammonium bromide, 99 % (TPABr) | Sigma-Aldrich | 88104 | Irritant, toxic |
| Potassium permanganate, 99 % (KMnO4) | Sigma-Aldrich | 223468 | |
| Acetic acid, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 45726 | |
| Pristine multiwalled carbon nanotubes, 99 % (MWCNTs) | Bayer Technology Services | Donated sample | Harmful dusts. >1 mm in length and 13–16 nm in outer diameter. Alternative supplier: Nanocyl, Catalog N. NC7000, website: http://www.nanocyl.com/ |
| Sodium Chloride, 98 % (NaCl) | Sigma-Aldrich | S3014 | Technical grade can also be used |
| Ethanol, 99.8 % (EtOH) | Sigma-Aldrich | 32221 | Technical grade can also be used |
| Methanol, 99.8 % (MeOH) | Sigma-Aldrich | 322415 | Highly toxic. Technical grade can also be used |
| Hydroquinone, 99 % | Sigma-Aldrich | H9003 | |
| Toluene, 99.8 % | Sigma-Aldrich | 244511 | Anhydrous |
| 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98 % (TMSPMA) | Sigma-Aldrich | 440159 | Air sensitive, toxic |
| Azobisisobutyronitrile, 99 % (AIBN) | Sigma-Aldrich | 755745 | Explosive |
| Styrene, 99 % | Sigma-Aldrich | S4972 | Purified using an alumina gel preparative column and stored at 4 °C |
| Acetone, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 179124 | Technical grade can also be used |
| Tetrahydrofuran, 99.9 % (THF) | Sigma-Aldrich | 494461 | |
| Dichloromethane, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 443484 | Highly toxic |
| Hydrochloric acid, 37 % | Sigma-Aldrich | 435570 | Harmful fumes |
References
- Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature. 354, 56-58 (1991).
- Iijima, S., Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature. 363, 603-605 (1993).
- Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration and Properties. Acc. Chem. Res. 35, 1035-1044 (2002).
- Karousis, N., Tagmatarchis, N. Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 110, 5366-5397 (2010).
- Zhao, Y. L., Stoddart, J. F. Noncovalent Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 42, 1161-1171 (2009).
- Zelada-Guillén, G. A., Riu, J., Düzgün, A., Rius, F. X. Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7334-7337 (2009).
- Zelada-Guillén, G. A., Blondeau, P., Rius, F. X., Riu, J. Carbon Nanotube-Based Aptasensors for the Rapid and Ultrasensitive Detection of Bacteria. Methods. 63, 233-238 (2013).
- Jung, Y., Li, X., Rajan, N. K., Taylor, A. D., Reed, M. A. Record High Efficiency Single-Walled Carbon Nanotube/Silicon p-n Junction Solar Cells. Nano Lett. 13, 95-99 (2013).
- Escárcega-Bobadilla, M. V., Rodríguez-Pérez, L., Teuma, E., Serp, P., Masdeu-Bultó, A. M., Gómez, M. Rhodium Complexes Containing Chiral P-Donor Ligands as Catalysts for Asymmetric Hydrogenation in Non Conventional Media. Chem. Soc. Rev. 141, 808-816 (2011).
- Miners, S. A., Rance, G. A., Khlobystov, A. N. Chemical Reactions Confined within Carbon Nanotubes. Chem. Soc. Rev. 45, 4727-4746 (2016).
- Rege, K., Raravikar, N. R., Kim, D. Y., Schadler, L. S., Ajayan, P. M., Dordick, J. S. Enzyme-Polymer-Single Walled Carbon Nanotube Composites as Biocatalytic Films. Nano Lett. 3, 829-832 (2003).
- Ma, R., Menamparambath, M. M., Nikolaev, P., Baik, S. Transparent Stretchable Single-Walled Carbon Nanotube-Polymer Composite Films with Near-Infrared Fluorescence. Adv. Mater. 25, 2548-2553 (2013).
- De Volder, M. F. L., Tawfick, S. H., Baughman, R. H., Hart, A. J. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. Science. 339, 535-539 (2013).
- Lehn, J. M. Perspectives in Chemistry – Steps towards Complex Matter. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2836-2850 (2013).
- Mattia, E., Otto, S. Supramolecular Systems Chemistry. Nat. Nanotechnol. 10, 111-119 (2015).
- Leh, J. M. . Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. , (1995).
- Escárcega-Bobadilla, M. V., et al. Nanorings and Rods Interconnected by Self-Assembly Mimicking an Artificial Network of Neurons. Nat. Commun. 4, 2648 (2013).
- Gegenhuber, T., et al. Noncovalent Grafting of Carbon Nanotubes with Triblock Terpolymers: Toward Patchy 1D Hybrids. Macromolecules. 48, 1767-1776 (2015).
- Peng, H., Alemany, L. B., Margrave, J. L., Khabashesku, V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 125, 15174-15182 (2003).
- Furtado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., Ecklund, P. C. Debundling and Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes in Amide Solvents. J. Am. Chem. Soc. 126, 6095-6105 (2004).
- Jeon, J. H., Lim, J. H., Kim, K. M. Fabrication of Hybrid Nanocomposites with Polystyrene and Multiwalled Carbon Nanotubes with Well-Defined Polystyrene via Multiple Atom Transfer Radical Polymerization. Polymer. 50, 4488-4495 (2009).
- Kim, M., Hong, C. K., Choe, S., Shim, S. E. Synthesis of Polystyrene Brush on Multiwalled Carbon Nanotubes Treated with KMnO4 in the Presence of a Phase-Transfer Catalyst. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 45, 4413-4420 (2007).
- Oliveira, E. Y. S., Bode, R., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A., Maier, G. Polymer Nanocomposites from Self-Assembled Polystyrene-Grafted Carbon Nanotubes. New J. Chem. 40, 4625-4634 (2016).
- Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. . The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , (1986).
- Bressy, C., Ngo, V. G., Ziarelli, F., Margaillan, A. New Insights into the Adsorption of 3-(Trimethoxysilyl)-propylmethacrylate on Hydroxylated ZnO Nanopowders. Langmuir. 28, 3290-3297 (2012).
- Wu, X., Qiu, J., Liu, P., Sakai, E., Lei, L. Polystyrene Grafted Carbon Black Synthesis via in situ Solution Radical Polymerization in Ionic Liquid. J. Polym. Res. 20, 167 (2013).
