溶液中碳纳米材料的稳定与离散形式

1、综述：综述：溶液中溶液中碳纳米材料的碳纳米材料的稳定与离散形式稳定与离散形式Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review 小结与展望 简介 CNM的合成 碳纳米材料的稳定/分散 吸附在水和废水处理中的应用生药资源利用工艺技术SeparationandPurificationTechnology读书报告碳纳米材料CNM的合成碳纳米材料的稳定/分散水质pH值离子强度温度天然及合成分散剂天然分散剂合成分散剂超声波酸化和紫外线照射吸附在水和废水处理中的应用Stabilization

2、 and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review目录（结构）Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review简介碳纳米材料（碳纳米材料（Carbon nanomaterials, CNMsCarbon nanomaterials, CNMs）：纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。碳纳米材料

3、类型：碳纳米材料类型： 碳纳米薄膜和碳纳米涂层（一维100 nm），碳纳米管和碳纳米线（二维100 nm），CNMs（三维100 nm）。碳纳米材料种类：碳纳米材料种类： 碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs）, 石墨烯氧化物(graphene oxides, GOs) 富勒烯（fullerenes）碳纳米材料应用：碳纳米材料应用：光电设备、塑料、催化剂、复合材料碳纳米材料优势：碳纳米材料优势： 独特的理化性质：机械、电气、热、化学性质；水中高效吸附剂：分散，不聚集成团Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials i

4、n aqueous solutions ：A review简介影响碳纳米材料在溶液中分散与稳定的因素：影响碳纳米材料在溶液中分散与稳定的因素：在水溶液中聚集的倾向范德华力特定的疏水相互作用方法：方法：共价键：直接共价侧链功能化（杂化反应，CNMs易断裂）、缺失功能化（酸、强氧化剂、反应等离子体，环境污染大）；非共价键：包装聚合物（范德华力相互作用、-键堆积作用）Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A reviewCNM的合成化学合成法化学合成法：Kroto，1980，富勒烯、C60

5、；电弧放电（电弧放电（arc dischargearc discharge）：Iijima，1991，MWNTs、SWNTs。气体氛围：He,乙醇,丙酮,己烷气体氛围中，(150500 Torr)；液氮氛围：大规模高纯度MWNTs过渡金属催化剂：SWNTs，氢气或氩气氛围中，复合阳极（石墨和金属构成，如Ni、Fe、Co、Pd、Ag、Pt，或Fe 、Co混合物，或Ni 与其他元素包括CoNi、FeNi、FeNo、CoCu、NiCu、NiTi）激光蒸发法（激光蒸发法（laser ablationlaser ablation）低温气相化学沉积法（低温气相化学沉积法（low temperature c

6、hemical vapor depositionlow temperature chemical vapor deposition）C60Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散水质pH值离子强度温度天然及合成分散剂天然分散剂合成分散剂超声波酸化和紫外线照射Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散Sta

7、bilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散水质pHpHpH值（值（pHpH降低，吸附作用、增溶能力提高）降低，吸附作用、增溶能力提高）构象变化：构象变化：酸性条件下NOM密度、螺旋化程度更高； 质子化作用：质子化作用：pH增加，SRNOM羧基、酚羟基去质子化，导致SWNTs和SRNOM之间的静电排斥作用增强，使吸附量下降； 位阻现象：位阻现象：SWNT表面的NOM表面密度越高，其与SWNT斥力越大； 表面静电排斥：表面静电排斥： DLVO理论（Derjag

8、uin-Landau-Verwey-Overbeek）；pH增加，带阴电荷的量增加； 氢键：氢键：影响MWNTs表面-COOH转化为-COO- ； 四种稳定剂（弱聚电解质共价修饰悬浮液中的碳纳米材料）：聚（丙烯酸）、聚（甲基丙烯酸）、聚（烯丙胺）、支链聚（乙烯亚胺) Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散水质离子强度离子强度（在一定范围内，随着增加而离散；超过一定范离子强度（在一定范围内，随着增加而离散；超过一定范围后，随着增加而聚集）：围后，随

9、着增加而聚集）：在氯化钠浓度100mM，aqu / C60总电荷足以妨碍聚合(反应限制动力学)，处于离散形式；在氯化钠浓度300mM，不增加聚合,表明静电斥力被屏蔽，聚集的能障消除，倾向于聚集。检测指标：检测指标：光密度(optical density, OD)：反映CNMs颗粒大小和颗粒浓度临界凝聚浓度（critical coagulation concentration, CCC）：悬浮MWNTs数量等于原来没有离子时的数量50%时的离子浓度。主要机制：主要机制：DLVO理论（范德华吸引力和静电排斥力决定了胶体的稳定性。 ）Stabilization and dispersion of c

10、arbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散水质温度温度（受到温度变化的影响，温度越低离散程度越高）温度（受到温度变化的影响，温度越低离散程度越高）主要机制：主要机制：温度升高，使SWNT获得外部能量，,导致弱相互作用被破坏，布朗运动/碰撞，减少电动电势。聚合物和水分子之间的分子间氢键在低温下占优势，而三元共聚物链延长且溶于水,导致SWNTs溶于水；温度升高时，分子内氢键之间的C = O和N-H导致密集和紧缩的三元共聚物链的构象，使SWNT聚集。Stabilization and dispersion of carb

11、on nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散天然及合成分散剂天然种类：种类：NOM、SRNOM：腐殖酸、胞外聚合物（extracellular polymeric substances.EPS）、海藻酸；萨旺尼河河腐殖酸（Suwannee River humic acid ,SRHA）、电解质(NaCl, MgCl2, and CaCl2) 。机制：机制：静电排斥（EPS）：疏水多糖，可以与其他疏水材料相互作用，导致CNMs之间的排斥；官能团：磷酰基、羟基、羧基基团，增强CNMs负电荷，静电排斥加强。-键：鞣酸（tanni

12、c acid，TA）溶液中：-键，芳香环优先结合，形成单层薄层；氢键或其他极性相互作用，进一步吸附。Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散天然及合成分散剂天然阿拉伯胶（阿拉伯胶（gum Arabicgum Arabic,GA,GA）：）：250 kDa，阿拉伯胶也称为阿拉伯树胶，来源于豆科的金合欢树属的树干渗出物，因此也称金合欢胶。阿拉伯胶主要成分为高分子多糖类及其钙、镁和钾盐。主要包括有树胶醛糖、半乳糖、葡萄糖醛酸等。优点：破坏包装，导致SWN

13、Ts分散，由于对比检测悬浮在液体中的材料性能及理论估计；吸附到SWNTs 的GA分子，可以促进单个SWNTs和聚合物基体之间的结合，形成紧密的结合相互作用。牛血清白蛋白（牛血清白蛋白（bovine serum albuminbovine serum albumin，B BSASA）：）：牛血清白蛋白（BSA），是牛血清中的一种球蛋白，包含607个氨基酸残基，分子量为66.446kDa，等电点为4.7。电荷和构象属性，较大的蛋白质构象导致脱落更快速， SWNT恢复率更高；熵参与脱落-稳定过程：BSA-to-SWNT过高比例导致脱落速度慢、恢复率低。Stabilization and disper

14、sion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散天然及合成分散剂合成表面活性剂（增强稳定性）表面活性剂（增强稳定性）常见表面活性剂：常见表面活性剂：Triton X系列（Triton X-100）机制：机制：疏水作用、-键影响因素：影响因素：溶液中胶束离子的浓度SWNTSWNT最优条件：最优条件：1.6% 脱氧胆酸钠（sodium deoxycholate, SD）；0.5%十二烷基苯磺酸钠（sodium dodecylbenzene sulfonate, SDBS）；3% Triton X-405；2

15、% Brij S-100；5% Pluronic F-127；3% PVP-55。机制：机制：头部亲水基团的之间的静电排斥；阳离子和阴离子表面活性剂，反荷离子静电力基本平衡。Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散天然及合成分散剂合成溶剂：溶剂：甲苯，二甲苯，苯，萘，氯仿，乙醇，丙酮，乙腈，N-甲基吡咯烷酮等机制：机制：静电排斥、空间位阻，破坏偶联物共价键分子动力学模拟水中C60与之间的水诱导排斥力表明能量占主导地位；两个富勒烯同时于水溶液中，水分

16、子从富勒烯四周排出，导致C60水相互作用能量损失；表明能量损失的大小被降低与C60水相互作用有关。其他：其他：咪唑溴化丙烯酸酯微胶乳共聚物(2530 nm) 聚（乙烯乙二醇-二丙烯硫化物）十六烷基三甲基铵硝酸盐四氢呋喃（tetrahydrofuran ，THF）和氮气（静电斥力、形成络合物、电荷转移）正戊烷、乙醚,1,3-二溴丙烷（形成络合物）7,7,8,8-四氰基对二次甲基苯醌（7,7, 8,8-tetracyanoquinodimethane , TCNQ）Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous sol

17、utions ：A review碳纳米材料的稳定/分散超声波超声波（增大超声波（增大CNMsCNMs吸附能力，悬浮稳定性）吸附能力，悬浮稳定性）机制：机制：空泡效应：高温导致压力差，使纳米表面剪切力增大，使其断裂破碎。进而使螺旋表面形成复杂的活性中间体。活性中间体基团克服SWNT间的范德华力，促进悬浮。空泡大小，影响稳定性：低频率超声波导致大空腔。影响分散情况，缩短聚集体：通过光散射观察流体力学半径；中介效应：小颗粒悬浮状态更稳定Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review

18、碳纳米材料的稳定/分散酸化和紫外线照射酸化酸化/ /氧化：氧化：聚集动力学、形态学特征、吸附能力含氧基团增加CNMs悬浮溶液稳定性增加质子氧功能基团能够抵制电解质诱导的聚集紫外照射：紫外照射：表面侵蚀/溶解再结晶过程：阳光催化初生晶体分子表面NOM与C60的相互作用；相互作用的结果：第二晶体的表面电荷密度大于初生晶体；C60光蚀：光诱导C60氧化，氧气改变表面水溶性中间体。表2总结了部分CNMs在水中的稳定和分散情况和他们流体动力学信息Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A rev

19、iew碳纳米材料的稳定/分散酸化和紫外线照射Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review碳纳米材料的稳定/分散酸化和紫外线照射Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review吸附在水和废水处理中的应用吸附能力高：吸附能力高：重金属、甲基橙、人造红色色素、酚类、药品和其他有机化学物质。污水处理：内分泌干扰物质（endocrine-disrupting comp

20、ounds, EDCs）、药品、个人护理用品（personal care products, PPCPs）对比传统处理过程（絮凝、沉淀、过滤、消毒；活性污泥、生物过滤对比传统处理过程（絮凝、沉淀、过滤、消毒；活性污泥、生物过滤, ,和土壤含和土壤含水层处理）：水层处理）：只能去除很少的EDCs、PPCPs受到污染物的理化性质（pKa、疏水性）、污水处理工艺的类型（废水出水后稀释、降雨、温度）等多种因素影响。影响因素：影响因素：CNTs：吸附位点、表面积、纯度、表面功能基团（- OH、-C=O、 -COOH）水体：pH值、背景离子和温度（影响EDCs和PPCPs稳定性）表面活性剂Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review吸附在水和废水处理中的应用Stabilization and dispersion of carbon nanomaterials in aqueous solutions ：A review吸附在水和废水处理中的应用Stabilizati