Ympning Multiwalled kolnanorör med polystyren för självmontering och Anisotrop flammighet
Summary
Ett förfarande för syntesen av polystyren-ympade multiwalled kolnanorör med successiva kemisk modifiering kliver till selektivt presentera polymern kedjar till sidoväggarna och deras självmontering via Anisotrop flammighet är presenterade.
Abstract
Vi visar ett enkelt protokoll för att ympa orörda multiwalled kolnanorör (MWCNTs) med polystyren (PS) kedjor på sidoväggarna genom en fria radikaler polymerisation strategi att aktivera moduleringen av nanotube ytegenskaper och producera supramolekylär självmontering av nanostrukturerna. Först skapar en selektiv hydroxylering av orörda nanorör genom en bifasisk katalytiskt medierad oxidationsreaktionen ytligt distribuerade reaktiva platser på sidoväggarna. De sistnämnda reaktiva platserna modifieras därefter med metakrylsyra beståndsdelarna med en silylerad metakrylsyra föregångare för att skapa polymerizable platser. Dessa polymerizable grupper kan hantera ytterligare polymerisation av styren att producera en hybrid nanomaterial som innehåller PS kedjor ympade till nanotube sidoväggarna. Polymer-graft innehåll, mängd silylerad metakrylsyra beståndsdelarna infördes och hydroxylering modifiering av nanorör identifieras och kvantifieras genom termogravimetrisk analys (TGA). Förekomsten av reaktiva funktionella grupper hydroxyl och silylerad bekräftas av Fourier Transform infraröd spektroskopi (FT-IR). Polystyren-ympade carbon nanotube lösningar i tetrahydrofuran (THF) ger heltäckande collinearly själv monterade nanorör när rösterna prover analyseras av transmissionselektronmikroskopi (TEM). Dessa self-assemblies uppnås inte när lämplig blanks gjuts likaså från liknande lösningar som innehåller icke-ympade motsvarigheter. Denna metod kan därför ändring av den nanotube Anisotrop flammighet på sidoväggarna som leder till spontana auto-organisation på nanonivå.
Introduction
Sedan upptäckten av singel-walled kolnanorör (SWCNTs),1,2 forskarsamfund har tillämpat sina enastående elektriska, mekaniska och termiska egenskaper3 i ett brett utbud av banbrytande program genom att modulera deras ytegenskaper via kovalenta4 och icke-kovalenta5 strategier. Exempel på dessa program är deras användning som givare i sensorer,6,7 elektroder i solceller,8 heterogena stöder i katalys,9 nanoreactors i syntesen,10 antifouling agenter i skyddande filmar,11 fyllmedel i kompositmaterial,12etc. Dock har möjlighet att modulera en ytegenskaper av deras mer robust, men ändå industriellt tillgängliga multiwalled motsvarigheter nämligen MWCNTs, att styra riktningen i sin icke-kovalenta interaktioner på nanonivå, varit en svår uppgift hittills. 13
Supramolekylär självmontering av molekylära byggstenarna är en av de mest mångsidiga strategierna att styra organisationen av material på nanonivå. 14 , 15 i denna mening, Supramolekylära interaktioner involvera directional, korta avstånd och mid-range icke-kovalenta interaktioner såsom H-bond, Van der Waals, dipol-dipol, Jon-dipol, dipol-inducerad dipol, π-π stapling, katjon-π, anjon-π, coulombic, bland andra. 16 tyvärr riktverkan i självmontering för större strukturer såsom MWCNTs är inte spontan och kräver oftast yttre motiv styrkor (t.ex. mallar eller försvinnande energisystem). 17 en senaste rapport används icke-kovalenta inslagning av nanorör med skräddarsydda sampolymerer att fullfölja det sistnämnda målet,18 men användning av kovalent strategier för att erbjuda nya alternativ för att lösa detta problem har förblivit knappt utforskade.
Kemisk modifiering av kolnanorör kan utföras selektivt för att införa olika funktionella grupper antingen till termini eller till sidoväggarna av detsamma. 19 , 20 är en av de mest användbara metoderna att skräddarsy ytegenskaper i kol nanostrukturer polymer-ympning genom standard polymerisation vägar. Dessa metoder omfattar vanligtvis, preliminära införandet av polymerizable eller initieraren grupper (akryl, vinyl, osv.) på nanostruktur ytan och deras efterföljande polymerisation med en lämplig monomer. 21 när det gäller MWCNTs, kovalent införandet av polymern kedjar på sidoväggarna att styra deras flammighet i en Anisotrop mode har varit en utmaning.
Här visar vi hur en serie enkel kemisk modifiering steg22,23 kan tillämpas om du vill infoga PS kedjor på sidoväggarna av MWCNTs för att ändra deras yta flammighet och främja deras Anisotrop självmontering23 på nanonivå. Under sträckan ändring möjliggör ett första steg selektiv hydroxylering av orörda MWCNTs på sidoväggarna genom att följa en bifasisk katalytiskt medierad oxidationsreaktionen för att ge de hydroxylerade motsvarigheterna nämligen MWCNT-OH. Ett andra steg använder 3-(Trimetoxysilyl) propyl form (TMSPMA) att införa silylerad metakrylsyra beståndsdelarna till de tidigare skapade hydroxylgrupperna (MWCNT-O-TMSPMA). Dessa skär ger ytan reaktiva platser under ett tredje steg, när styren monomer är polymeriseras från de metakrylsyra beståndsdelarna således framställning av polymern kedjar ympade till sidoväggarna av nanorör i slutet (dvs MWCNT-O-PS).
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna metod finns det vissa steg som leder kritiska att garantera en lyckad ympning process. Först, den bifasisk katalytiskt medierad oxidationsreaktionen (steg 1.1) utföras med nyligen spridda kolnanorör (steg 1.1.1.5). Om spridning leder olönsamma enligt rekommendationerna i protokollet, skulle användning av en ultraljud tips någon sonikator vara bra om använder samma indikationer (steg 1.1.1.6). Med kortare MWCNTs kan också hjälpa lösa dispersion problem. Andra är inställningen av dammsugarfilter systeme…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi skulle vilja erkänna de FQ-PAIP och DGAPA-PAPIIT program från National Autonomous University of Mexico (grant nummer 5000-9158, 5000-9156, IA205616 och IA205316) och nationella rådet för vetenskap och teknik från Mexiko – CONACYT-(bevilja 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 |
Referências
- 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).
