JP2002338219A - Method for producing carbon nanoring - Google Patents

Method for producing carbon nanoring

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JP2002338219A
JP2002338219A JP2001142532A JP2001142532A JP2002338219A JP 2002338219 A JP2002338219 A JP 2002338219A JP 2001142532 A JP2001142532 A JP 2001142532A JP 2001142532 A JP2001142532 A JP 2001142532A JP 2002338219 A JP2002338219 A JP 2002338219A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for efficiently obtaining circular carbon nanotubes from carbon nanotubes. SOLUTION: Single-walled carbon nanotubes are cut to prepare open-end carbon nanotubes each having reactive functional groups capable of forming chemical bonds by cross reactions at both ends in such a way that open-end carbon nanotubes each of whose length is about 2 times the persistence length of each of the single-walled carbon nanotubes are included. The prepared open- end carbon nanotubes are dispersed in a solvent, each of the open-end carbon nanotubes is cyclized by bonding both ends to each other by way of the reactive functional groups and the resulting bonds are decomposed by heat-treating the cyclized carbon nanotubes to produce the objective circular carbon nanotubes. The reactive functional groups are, e.g. carboxy and hydroxy groups and are bonded using a dicyclohexylcarbodiimide as a coupling agent.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、カーボンナノチュ
ーブの技術分野に属し、特に、単層カーボンナノチュー
ブから環状のカーボンナノチューブ(カーボンナノリン
グ)を得るための新しい技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the technical field of carbon nanotubes, and more particularly to a new technique for obtaining a cyclic carbon nanotube (carbon nanoring) from a single-wall carbon nanotube.

【0002】[0002]

【従来の技術】カーボンナノチューブ(carbon nanotub
e:以下CNTと略称することがある)は、グラファイ
トのシート(グラフェンシート)が円筒状に丸まった形
状から成る炭素物質であり、グラフェンシートが1枚円
筒状になった単層カーボンナノチューブ(single-walle
d carbon nanotube:以下、SWCNTと略称すること
がある)と、複数のグラフェンシートが同心円筒状にな
った多層カーボン名のチューブ(multi-walled carbon
nanotube:以下、MWCNTと称することがある)とが
あることが知られている。
2. Description of the Related Art Carbon nanotubs
e: may be abbreviated as CNT hereinafter) is a carbon material having a graphite sheet (graphene sheet) rolled into a cylindrical shape, and a single-walled carbon nanotube (single carbon nanotube) having a single graphene sheet. -walle
d carbon nanotube: a tube of multi-walled carbon (hereinafter sometimes abbreviated as SWCNT) and a multi-walled carbon tube in which a plurality of graphene sheets are concentric cylinders
nanotube: hereinafter may be referred to as MWCNT).

【0003】MWCNTおよびSWCNTは、1990
年代の初めに相次いで発見されて以来、その特異な構造
に基づく研究ツールとして注目されるとともに、所謂ナ
ノテクノロジーの分野におけるナノメータスケールの各
種の機能性材料(ナノデバイス)として応用面でも嘱望
され、盛んな研究および開発が進められている。
[0003] MWCNT and SWCNT are available in 1990.
Since being discovered one after another at the beginning of the age, it has attracted attention as a research tool based on its unique structure, and has been expected to be applied as a variety of nanometer-scale functional materials (nanodevices) in the field of nanotechnology. Active research and development is underway.

【0004】カーボンナノチューブに関するこれまでの
研究や開発は、専ら、長いチューブ状の形状について向
けられてきた。カーボンナノチューブをその特性を本質
的に保持しながら新しい形状、例えば、カーボンナノチ
ューブを環状(リング状)にすることができれば、ナノ
テクノロジーの分野における新しい材料の創製に資する
ことができるものと期待される。しかしながら、カーボ
ンナノチューブから特定の新規な形状を体系的に調製す
るような方法は殆ど見出されず、環状のカーボンナノチ
ューブに関しても、カーボンナノチューブの合成に際し
て偶然にごく少量の環状CNTの形成が認められるにす
ぎない。
[0004] Previous research and development on carbon nanotubes has focused exclusively on long tubular shapes. If a new shape, for example, a carbon nanotube can be made into a ring (ring shape) while essentially retaining the properties of the carbon nanotube, it is expected that it will contribute to the creation of new materials in the field of nanotechnology. . However, there is hardly any method for systematically preparing a specific new shape from carbon nanotubes, and only a small amount of cyclic CNTs is found by accident in the synthesis of carbon nanotubes. Absent.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、カー
ボンナノチューブから環状のカーボンナノチューブを効
率的に得ることのできる新しい手法を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a new method for efficiently obtaining a cyclic carbon nanotube from a carbon nanotube.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者は、高分子の分
野で用いられる統計学的モデルに基づく解析を行いなが
ら、SWCNTが環状化する好適な条件を見出し、本発
明を導き出したものである。
Means for Solving the Problems The present inventor has found suitable conditions for cyclization of SWCNT while conducting analysis based on a statistical model used in the field of polymers, and has derived the present invention. is there.

【0007】かくして、本発明に従えば、単層カーボン
ナノチューブを切断し、互いに反応して化学結合を形成
し得る反応性官能基を両端に有するオープンエンドのカ
ーボンナノチューブを調製する工程であって、単層カー
ボンナノチューブの持続長の約2倍の長さのオープンエ
ンドカーボンナノチューブが含まれるようにする工程;
前記オープンエンドカーボンナノチューブを溶媒中に分
散させて、各オープンエンドカーボンナノチューブの両
端を前記反応性官能基を介して互いに結合させて環状化
する工程;および、得られた環状化カーボンナノチュー
ブを熱処理して前記反応性官能基を介する結合を分解す
る工程;を含むことを特徴とする環状カーボンナノチュ
ーブの製造方法が提供される。
Thus, according to the present invention, there is provided a step of cutting single-walled carbon nanotubes to prepare open-ended carbon nanotubes having reactive functional groups at both ends capable of reacting with each other to form a chemical bond, Including an open-ended carbon nanotube about twice as long as the sustained length of the single-walled carbon nanotube;
Dispersing the open-ended carbon nanotubes in a solvent, bonding both ends of each open-ended carbon nanotube to each other via the reactive functional group to form a ring, and heat-treating the obtained circularized carbon nanotube. Decomposing the bond via the reactive functional group by the method described above.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を本発
明に従い環状のカーボンナノチューブ(カーボンナノリ
ング)を製造する工程に沿って説明する。(1)両端に反応性官能基を有するオープンエンドCN
Tの調製 カーボンナノチューブの両端が開いたものをオーブンエ
ンド(open-end)のナノチューブと呼ぶ。アーク放電法
などで生成され商業的に入手できるカーボンナノチュー
ブは、通常、その両端が閉じており且つ長すぎて、その
ままでは溶媒中に溶解もしくは分散させることはできな
い。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below.
As shown in the figure, the annular carbon nanotube
) Will be described along with the manufacturing process.(1) Open-end CN having reactive functional groups at both ends
Preparation of T  Open the carbon nanotube with both ends open.
It is called an open-end nanotube. Arc discharge method
Commercially available carbon nanotubes
Is usually closed at both ends and too long,
It cannot be dissolved or dispersed in a solvent as it is
No.

【0009】本発明に従い環状カーボンナノチューブ
(カーボンナノリング)を製造するには、先ず、単層カ
ーボンナノチューブを切断しオープンエンドにして、そ
の両端に、互いに反応して化学結合を形成するような反
応性官能基が存在するようにする。
In order to produce a cyclic carbon nanotube (carbon nanoring) according to the present invention, first, a single-walled carbon nanotube is cut into open ends, and a reaction is formed at both ends thereof so as to react with each other to form a chemical bond. Make sure that a functional group is present.

【0010】単層カーボンナノチューブ(SWCNT)
を切断してオープンエンドにするのに一般的に用いる手
段は、よく知られるように、強酸(王水)溶液中で超音
波処理することである。この操作により、カーボンナノ
チューブの欠陥部位が攻撃され、その両端が開き且つ長
さの異なる多数のオープンエンドSWCNTが得られ
る。
Single-walled carbon nanotube (SWCNT)
A commonly used means of cleaving an open end is sonication in a strong acid (aqua regia) solution, as is well known. By this operation, the defect site of the carbon nanotube is attacked, and a large number of open-end SWCNTs having different lengths at both ends are obtained.

【0011】このようにして得られたオープンエンドS
WCNTは、次に、その両端に、反応性官能基を有する
ように化学処理される。オープンエンドSWCNTの両
端に存在する反応性官能基は、互いに反応して化学結合
を形成し得るようなものであれば、原理的に制限される
ものではないが、オープンエンドSWCNTにそのよう
な反応性官能基を付与するのに特に好ましい化学処理の
例は、酸化性の溶液(例えば、H2SO4/H22溶液)
中でエッチングすることである。これによって、オープ
ンエンドSWCNTの両端の切断面に酸素含有官能基が
出現する。酸素含有官能基とは、一般に、カルボキシル
基および水酸基(フェノール性水酸基)である。このよ
うな酸素含有官能基は、後述するように、ジシクロヘキ
シルカルボジイミドをカップリング剤として互いに反応
して容易に化学結合を形成し、オープンエンドSWCN
Tを環状化する。
The open end S thus obtained
The WCNT is then chemically treated to have reactive functional groups at both ends. The reactive functional groups present at both ends of the open-end SWCNT are not limited in principle as long as they can react with each other to form a chemical bond. Examples of particularly preferred chemical treatments for imparting functional functional groups are oxidizing solutions (eg, H 2 SO 4 / H 2 O 2 solutions)
Etching inside. Thereby, oxygen-containing functional groups appear on the cut surfaces at both ends of the open-end SWCNT. The oxygen-containing functional groups are generally a carboxyl group and a hydroxyl group (phenolic hydroxyl group). As described below, such oxygen-containing functional groups react with each other using dicyclohexylcarbodiimide as a coupling agent to easily form a chemical bond, and the open-end SWCN
Cyclize T.

【0012】切断後のオープンエンドSWCNTの両端
に存在し互いに反応して化学結合を形成し得る反応性官
能基の他の例としては、酸クロリド(塩化アシル)−C
OClが挙げられる。この官能基は上記のような酸処理
によって得られたカルボキシル基のヒドロキシル基をS
OCl2で塩素置換することによって出現し、この結
果、オープンエンドCNTの一端にある−COCl基
が、同じCNTの他端にあるカルボキシル基と反応して
結合を形成することができる。
Another example of a reactive functional group which is present at both ends of the cut open-ended SWCNT and can react with each other to form a chemical bond is acid chloride (acyl chloride) -C
OCI. This functional group replaces the hydroxyl group of the carboxyl group obtained by the acid treatment as described above with S
Appears by chlorine substitution with OCl 2 , so that the —COCl group at one end of the open-ended CNT can react with a carboxyl group at the other end of the same CNT to form a bond.

【0013】(2)統計学的モデルに基づく持続長の推
上記(1)のようにして、比較的短い長さの領域に存在
ピークがあり最大長が数百nmから数μmに到る、さま
ざまの長さに分布したオープンエンドSWCNTが得ら
れる。本発明者は、高分子の分野で用いられる統計学的
モデルに基づく解析から、オープンエンドSWCNTが
環状化するのに好適な長さを推算する有効な手法を見出
した。
[0013](2) Persistence length estimation based on statistical model
Arithmetic  As described in (1) above, it exists in a relatively short area
With peaks and maximum lengths ranging from several hundred nm to several μm
Open-end SWCNTs distributed in the gap length are obtained
It is. The present inventor has studied statistical techniques used in the field of polymers.
From the analysis based on the model, open-end SWCNT
Find an effective method for estimating a suitable length for circularization
did.

【0014】剛直高分子(半屈曲性高分子)の溶液中の
挙動は、みみず鎖(worm-like chain)によってモデル
化することができ、その統計学的性質は持続長(persis
tencelength)に依存することはよく知られている。こ
こで、持続長とは、高分子鎖が直線性を持続する傾向、
すなわち剛直性を長さで表わしたものであり、末端間を
結ぶベクトルの最初の結合ベクトルへの斜影の平均値を
重合度無限大に補外した値と定義される。したがって、
持続長の値が大きいほど鎖は固いといえる。
The behavior of rigid macromolecules (semiflexible macromolecules) in solution can be modeled by worm-like chains, the statistical properties of which are of persistent length (persistent length).
is well known. Here, the persistence length refers to the tendency of the polymer chain to maintain linearity,
That is, the rigidity is represented by the length, and is defined as a value obtained by extrapolating the average value of the oblique shadow of the vector connecting the ends to the first combined vector to the degree of polymerization infinity. Therefore,
The higher the value of the duration, the harder the chain.

【0015】本発明者は、上記の(1)のようにして得
られるオープンエンドSWCNTには、半屈曲性高分子
と同様に、排除体積効果を考慮したみみず鎖モデルが適
用されること、そして、環状のカーボンナノチューブが
形成されるための好ましい条件は、該オープンエンドS
WCNTがこのモデルから推算されるような持続長のお
よそ2倍の長さを有することであることを見出した。
The inventor of the present invention has stated that, like the semi-flexible polymer, the open-end SWCNT obtained as in the above (1) employs a worm-chain model in consideration of the excluded volume effect, and , A preferable condition for forming a cyclic carbon nanotube is the open end S
It has been found that WCNT is about twice as long as the duration as estimated from this model.

【0016】みみず鎖モデルに従えば、みみず鎖(worm
-like chain)が環形成する確率G(L;p)は鎖の両
端間距離の分布関数を積分することによって得られ、次
の式(A)で表わされる(H. Yamakawa, W. H. Stockma
yer, J. Chem. Phys. 57, 2843 (1972))。
According to the worm chain model, the worm chain (worm)
-like chain) is obtained by integrating the distribution function of the distance between both ends of the chain, and is expressed by the following equation (A) (H. Yamakawa, WH Stockma).
yer, J. Chem. Phys. 57 , 2843 (1972)).

【0017】[0017]

【化1】 Embedded image

【0018】ここで、rは、Lを鎖の長さ(径路長:co
ntour length)、pを持続長としたときのL/2pで
表わされる還元長である。したがって、Gは所与のパラ
メーターp(持続長)によって決まることになる。そこ
で、本発明においては次のような手順で持続長を推算す
る。
Here, r represents L as the length of the chain (path length: co
ntour length), which is a reduced length represented by L / 2p when p is a sustained length. Therefore, G will depend on the given parameter p (persistence length). Therefore, in the present invention, the duration is estimated by the following procedure.

【0019】持続長pの値を仮定して、径路長(オー
プンエンドSWCNTの長さ)Lに対する環形成確率分
布G(L;p)を決める。 環形成前のSWCNTの長さLに対する分布W(L)
を実測する。 SWCNTの長さLに対して、実際に環形成したSW
CNTの分布を実測し、上記のようにして求めたGとW
から得られる分布関数G(L;p)・W(L)と比較
し、最もフィットした場合のpの値を持続長とする。持
続長は、一般に、X線散乱測定により求められるが、本
発明で用いられるオープンエンドSWCNTの持続長を
そのような測定法で求めるのは難しい。本発明において
は、上記のような統計学的モデルを利用して容易に持続
長を推算することができる。
Assuming the value of the persistence length p, a ring formation probability distribution G (L; p) with respect to a path length (length of the open-end SWCNT) L is determined. Distribution W (L) for length L of SWCNT before ring formation
Is measured. For the length L of SWCNT, the actual ring-formed SW
G and W obtained by actually measuring the distribution of CNT and obtaining as described above
Is compared with the distribution function G (L; p) · W (L) obtained from the above, and the value of p at the time of the best fit is defined as the persistence length. The duration is generally determined by X-ray scattering measurement, but it is difficult to determine the duration of the open-end SWCNT used in the present invention by such a measurement method. In the present invention, the duration can be easily estimated using the statistical model as described above.

【0020】本発明に従う環状CNT(カーボンナノチ
ューブ)は、両端に反応性官能基を有するオープンエン
ドSWCNTが、上記の手順により推算されるような持
続長の約2倍の長さを有する場合をピークとして形成さ
れることが見出されている(後述の実施例参照)。した
がって、本発明においては、SWCNTから上述したよ
うな処理により反応性官能基を両端に有するオープンエ
ンドCNTを調製するに当って、原料となるSWCNT
の持続長の長さ約2倍の長さ、例えば、約1.5〜2.
5倍の長さのオープンエンドCNTが含まれるようにす
る。
The cyclic CNT (carbon nanotube) according to the present invention peaks when the open-end SWCNT having reactive functional groups at both ends has a length approximately twice as long as the length estimated by the above procedure. (See Examples below). Therefore, in the present invention, in preparing an open-end CNT having a reactive functional group at both ends from the SWCNT by the treatment as described above, the raw material SWCNT is used.
Is about twice as long as, for example, about 1.5-2.
Include 5 times longer open end CNTs.

【0021】この際、強酸中での超音波処理や酸化性溶
液中でのエッチングにより、常に一定の長さ分布のオー
プンエンドCNTが得られるわけではないが、本発明者
が見出したところによれば、原料として同じSWCNT
を用いる限り、分布のピーク位置は異なるが、実質的に
同一のp(持続長)値が得られる。また、オープンエン
ドCNTの挙動を模擬する統計学的モデルとして、みみ
ず鎖モデルの代わりに、らせんみみず鎖モデル(helica
l worm-like chain model)(J. Shimada, H.Yamakawa,
Macromolecules 17, 689 (1984))を適用しても、実質
的に同一のp値が得られる。
At this time, it is not always possible to always obtain open-ended CNTs having a constant length distribution by ultrasonic treatment in a strong acid or etching in an oxidizing solution. If the same SWCNT as raw material
As long as is used, the peak positions of the distribution are different, but substantially the same p (duration) value is obtained. In addition, as a statistical model that simulates the behavior of open-end CNTs, a helical worm chain model (helica
l worm-like chain model) (J. Shimada, H. Yamakawa,
Applying Macromolecules 17 , 689 (1984)) yields substantially the same p-value.

【0022】p値が依存する大きな因子は、原料として
用いるSWCNTの直径と考えられ、例えば、後述の実
施例で用いる直径1.2nmのSWCNTの持続長は8
00nm(0.8μm)と推算された。SWCNTの直
径は、一般に、1〜10nm程度であり、その直径に応
じて持続長も変わる。このようにして、本発明に従え
ば、原料SWCNTの持続長が分かっていれば、得られ
る環状CNT(カーボンナノリング)の大きさ(径)を
調整することができる。この場合、一定の大きさのカー
ボンナノリングを効率的に製造することが特に所望され
る場合には、持続長の約2倍よりも外れるオープンエン
ドCNTを適当な手段(例えば、超遠心分離)により予
め除去しておけばよい。
The large factor on which the p-value depends is considered to be the diameter of SWCNT used as a raw material. For example, the sustained length of SWCNT having a diameter of 1.2 nm used in Examples described later is 8 nm.
It was estimated to be 00 nm (0.8 μm). The diameter of SWCNT is generally about 1 to 10 nm, and the duration varies depending on the diameter. Thus, according to the present invention, the size (diameter) of the obtained cyclic CNT (carbon nanoring) can be adjusted if the sustained length of the raw material SWCNT is known. In this case, if it is particularly desired to efficiently produce carbon nanorings of a certain size, open-ended CNTs that deviate by more than about 2 times the sustained length can be removed by appropriate means (eg, ultracentrifugation). May be removed in advance.

【0023】(3)オープンエンドCNTの環状化反応 上記(1)および(2)で述べたように調製され両端に
反応性官能基を有するオープンエンドSWCNTは、必
要に応じて適当な洗浄、精製を行った後、溶媒中に分散
させ、各オープンエンドSWCNTの両端がその反応性
官能基を介して互いに結合して環状化反応が行われるよ
うにする。例えば、上述したように、両端にカルボキシ
ル基や(フェノール性)水酸基から成る酸素含有官能基
を有するオープンエンドSWCNTを、溶媒としてジメ
チルホルムアミド(DMF)に分散させ、ジシクロヘキ
シルカルボジイミド(DCC)をカップリング剤として
添加して両端の酸素含有官能基を反応させ、それらの両
端を結合させる。図1は、このような反応によって環状
カーボンナノチューブ(カーボンナノリング)が得られ
る様子を模式的に示すものである。
[0023](3) Cyclization reaction of open-end CNT  Prepared as described in (1) and (2) above, and
Open-end SWCNTs with reactive functional groups are
After appropriate washing and purification as necessary, disperse in solvent
Both ends of each open-end SWCNT are reactive
Cyclization reaction is performed by bonding to each other through functional groups
To do. For example, as described above, carboxy at both ends
Oxygen-containing functional group consisting of a hydroxyl group or (phenolic) hydroxyl group
Using open-ended SWCNTs with
Dispersed in chilled formamide (DMF)
Silcarbodiimide (DCC) as coupling agent
To react the oxygen-containing functional groups at both ends,
Join the ends. Figure 1 shows that such a reaction
A carbon nanotube (carbon nanoring) is obtained
FIG.

【0024】分散媒として使用される溶媒としては、D
MFの他に、水、エタノールなどが例示される。但し、
使用する溶媒は、両端に反応性官能基を有するオープン
エンドSWCNTに対する分散能が高いものを使用する
ことが好ましく、オープンエンドSWCNTとの組み合
わせにより分散が悪くなると環状カーボンナノチューブ
の形成率が悪くなる。例えば、反応性官能基として既述
したような酸クロリドが末端にあるオープンエンドSW
CNTをDMFに分散させて環状化反応を行わせた場合
には、分散が悪くなるために環状カーボンナノチューブ
の収率が低いことが見出されている。
As the solvent used as the dispersion medium, D
In addition to MF, water, ethanol and the like are exemplified. However,
It is preferable to use a solvent having a high dispersibility for open-end SWCNTs having a reactive functional group at both ends, and if the dispersion is poor due to the combination with the open-end SWCNTs, the formation rate of cyclic carbon nanotubes is low. For example, an open-end SW terminated with an acid chloride as described above as a reactive functional group
It has been found that when cyclization reaction is carried out by dispersing CNTs in DMF, the dispersion becomes poor and the yield of cyclic carbon nanotubes is low.

【0025】また、反応性官能基を有するオープンエン
ドSWCNTが分散された溶液中では、それらのオープ
ンエンドSWCNTの両末端の自己結合による環状化反
応の他に、オープンエンドSWCNTと別のオープンエ
ンドCNTとの結合反応や、オープンエンドSWCNT
同志がファンデルワールス力によって集合してバンドル
を形成する反応も起こり得る。これらの好ましくない反
応をできるだけ回避して環形成反応を優先的に進行させ
るためには、溶液中のオープンエンドSWCNTの濃度
をきわめて低くしておくことが望ましい。例えば、後述
の実施例の場合、オープンエンドSWCNTの濃度は
0.05mg/ml以下の低濃度である。
In a solution in which the open-end SWCNT having a reactive functional group is dispersed, in addition to the cyclization reaction by the self-bonding of both ends of the open-end SWCNT, the open-end SWCNT and another open-end SWCNT are separated. Reaction and open-end SWCNT
A reaction in which comrades gather together by van der Waals forces to form a bundle can occur. In order to avoid such undesirable reactions as much as possible and to allow the ring formation reaction to proceed preferentially, it is desirable to keep the concentration of open-end SWCNT in the solution extremely low. For example, in the case of the embodiment described later, the concentration of the open-end SWCNT is a low concentration of 0.05 mg / ml or less.

【0026】(4)環状化SWCNTの熱処理 上記(3)のようにして得られた環状SWCNTは、化
学的および物理的に非常に安定であるが、実用に供され
るようにするためには、最終工程として熱処理に供され
る。この熱処理工程は、環状化反応に際してオープンエ
ンドSWCNTを分散させるのに用いた溶媒(例えばD
MF)中に環状化SWCNTを分散させた状態で、無酸
素雰囲気(例えば、窒素ガス雰囲気)下に、上記のよう
な反応性官能基由来の結合(有機結合)が分解するよう
に、一般に300℃以上の温度(例えば、500℃)に
加熱することによって行われる。
[0026](4) Heat treatment of cyclized SWCNT  The cyclic SWCNT obtained as in (3) above is
Very stable, both chemically and physically,
So that it is subjected to heat treatment as the final step.
You. This heat treatment step involves an open air during the cyclization reaction.
Solvent used to disperse the SWCNTs (eg, D
MF) in which cyclized SWCNTs are dispersed in acid-free
In a raw atmosphere (for example, nitrogen gas atmosphere),
The bond (organic bond) derived from a reactive functional group is decomposed
In general, at a temperature of 300 ° C. or more (for example, 500 ° C.)
This is done by heating.

【0027】このような熱処理後の環状SWCNT(カ
ーボンナノリング)を走査トンネル顕微鏡(STM)で
観察すると、該リングの全周にわたって均一なコントラ
ストが認められ、オープンエンドSWCNTの末端の結
合が分解して炭素−炭素結合が形成したことが示されて
いる。かくして、本発明によって得られる環状SWCN
Tは、原料となるSWCNTの特性、例えば、導電性を
円周にわたって保持することができる。
When the cyclic SWCNT (carbon nano ring) after such heat treatment is observed with a scanning tunneling microscope (STM), a uniform contrast is recognized over the entire circumference of the ring, and the bond at the end of the open-end SWCNT is decomposed. Indicates that a carbon-carbon bond was formed. Thus, the cyclic SWCN obtained by the present invention
T can maintain the properties of the raw material SWCNT, for example, conductivity, over the circumference.

【0028】本発明に従えば、原料として用いるSWC
NTの直径(太さ)によって異なるが、一般に数百nm
から数千nmの大きさ(直径)の環状SWCNTが得ら
れ、さらに、既述したように、原料SWCNTの持続長
を考慮してオープンエンドSWCNTの長さを調整する
ことにより一定の大きさの環状SWCNTを得ることが
できる。
According to the present invention, SWC used as a raw material
Although it depends on the diameter (thickness) of NT, it is generally several hundred nm.
Can obtain a circular SWCNT having a size (diameter) of several thousand nm. Further, as described above, by adjusting the length of the open-end SWCNT in consideration of the sustained length of the raw material SWCNT, a fixed size of the SWCNT can be obtained. An annular SWCNT can be obtained.

【0029】[0029]

【実施例】本発明の特徴をさらに具体的に示すため以下
に実施例を記すが、本発明はこの実施例によって制限さ
れるものではない。実施例1:環状SWCNTの製造 直径1.2nmの単層カーボンナノチューブ(Tubes@Ri
ce製)をH2SO4(98%)/HNO3(60%)の混
合溶液(3:1)中で24時間、超音波処理してオープ
ンエンドSWCNTに切断した。このオープンエンドS
WCNTをテフロン(登録商標)フィルターでろ過した
後、残渣をH2SO4(98%)/H22(30%)の混
合溶液(4:1)に70℃で0.5時間、浸漬してエッ
チングすることによりオープンエンドSWCNTの末端
にカルボキシル基および水酸基(フェノール性水酸基)
が出現するようにした。
EXAMPLES In order to more specifically show the features of the present invention,
Examples will be described below, but the present invention is limited by these examples.
It is not something to be done.Example 1: Production of cyclic SWCNT  Single-walled carbon nanotubes with a diameter of 1.2 nm (Tubes @ Ri
ce) HTwoSOFour(98%) / HNOThree(60%) mixture
Sonicate for 24 hours in mixed solution (3: 1) and open
And cut into an end SWCNT. This open end S
WCNT was filtered through a Teflon filter
Later, the residue is HTwoSOFour(98%) / HTwoOTwo(30%) mixture
Dipping in a mixed solution (4: 1) at 70 ° C for 0.5 hour
End of open-end SWCNT by ching
Carboxyl group and hydroxyl group (phenolic hydroxyl group)
Was made to appear.

【0030】この酸処理後、超遠心分離(3500×
g)に供してSWCNTから形成されたバンドルを除去
し、上清中の残存SWCNTを無水DMF中に分散させ
た(濃度:0.05mg/ml)ところ、うすく着色し
た溶液が得られた。この溶液に過剰量のDCC(1mg
/ml)を添加し、得られた混合液を室温下に一晩攪拌
した。環状SWCNTの形成を確認するため、固形物質
を集め、テフロンフィルター(0.8μm)を通して脱
イオン水で洗浄した後、マイカ上でAFM(原子間力顕
微鏡)による観察を行った。このAFM像を図2に示
す。図2に示されるように、直径が約540nmのほぼ
一定の大きさのリング(環状SWCNT)の形成が認め
られる(後述の実施例2も参照)。なお、このようにし
て形成された環状SWCNTは化学的および物理的にき
わめて安定であり、ジメチルアミノピリジンとn−ブチ
ルアミンまたはNaOHで処理しても開環反応が起こる
ことはなかった。
After the acid treatment, ultracentrifugation (3500 ×
g) to remove the bundle formed from SWCNT, and the remaining SWCNT in the supernatant was dispersed in anhydrous DMF (concentration: 0.05 mg / ml) to obtain a lightly colored solution. To this solution was added excess DCC (1 mg
/ Ml) and the resulting mixture was stirred overnight at room temperature. In order to confirm the formation of cyclic SWCNT, the solid substance was collected, washed with deionized water through a Teflon filter (0.8 μm), and then observed on mica by AFM (atomic force microscope). This AFM image is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the formation of a substantially constant-sized ring (annular SWCNT) having a diameter of about 540 nm is observed (see also Example 2 described later). The cyclic SWCNT thus formed was extremely stable chemically and physically, and no ring-opening reaction occurred even when treated with dimethylaminopyridine and n-butylamine or NaOH.

【0031】上記のようにテフロンフィルターを通して
洗浄、ろ過した環状SWCNTをグラファイト上にキャ
ストした後、窒素雰囲気中で3時間、500℃に加熱し
た。この熱処理後の環状SWCNTをグラファイト上で
STMによる観察(空気中、バイアス1.0V)を行っ
たところ、環の全周にわたって均一なコントラストが認
められた。
The cyclic SWCNT washed and filtered through the Teflon filter as described above was cast on graphite, and then heated to 500 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. When the cyclic SWCNT after the heat treatment was observed on graphite by STM (in air, bias 1.0 V), a uniform contrast was recognized over the entire circumference of the ring.

【0032】実施例2:統計学的モデルに基づく持続長
の推算 上述の実施例1に示したケースにつき、統計学的モデル
に基づく持続長を推算し、環状SWCNTの製造への適
用性を検討した。図3のAに示すヒストグラムは、実際
に環形成したSWCNTの長さ(径路長:円周)の分布
を示すもの(実施例1において、DCC添加による環形
成反応後、テフロンフィルターによるろ過前のサンプ
ル)であり、また、図3のBに示すヒストグラムは環形
成前のSWCNTの長さの分布を示すもの(実施例1に
おいて、H2SO4/H22による処理後、DCC添加前
のサンプル)である。これらのヒストグラムは、いずれ
も、それぞれのサンプルをマイカ上にキャストしAFM
で観察しながらカウントすることにより求めたものであ
る。
[0032]Example 2: Persistence length based on statistical model
Estimate  Statistical model for the case shown in Example 1 above
The duration based on
The utility was examined. The histogram shown in FIG.
Of the length (path length: circumference) of the SWCNTs formed in the ring
(In Example 1, the ring shape by adding DCC)
After the synthesis reaction, the sump before filtration with a Teflon filter
3), and the histogram shown in FIG.
Fig. 1 shows the distribution of the length of SWCNT before formation (see Example 1).
Then, HTwoSOFour/ HTwoOTwoBefore treatment and before DCC addition
Sample). These histograms
Also cast each sample on mica and AFM
Obtained by counting while observing in
You.

【0033】上記の(2)で説明したように、持続長の
値をさまざまに仮定して環形成確率分布G(L;p)を
求め、環形成前の実測値(図3のBのヒストグラム)に
基づき求められたSWCNTの長さ分布W(L)と上記
のG(L;p)とから得られる分布関数W(L)・G
(L;p)を実際に環形成したSWCNTの実測値(図
3のAのヒストグラム)と比較したところ、最もフィッ
トしたpの値はp=0.82μmであった。図3のAに
示す曲線は、p=0.82μmの場合のW(L)・G
(L;p)であり、また、図3のBに示す曲線は、p=
0.82μmの場合のG(L;p)である。
As described in the above (2), the ring formation probability distribution G (L; p) is obtained by assuming various values of the persistence length, and the measured values before the ring formation (the histogram of FIG. )) And a distribution function W (L) · G obtained from the length distribution W (L) of SWCNT obtained above and G (L; p).
When (L; p) was compared with the actually measured value of SWCNT actually formed with a ring (the histogram of A in FIG. 3), the value of p that was the best fit was p = 0.82 μm. The curve shown in FIG. 3A is W (L) · G when p = 0.82 μm.
(L; p), and the curve shown in FIG.
G (L; p) at 0.82 μm.

【0034】実際に形成した平均直径約540nmの環
状SWCNTの円周(0.54μm×3.14=1.7
μm)は、モデルから推算されたpの値(0.82μ
m)の約2倍である。図3のAのヒストグラムが示すよ
うに、この持続長の値の約2倍の長さをピークとして
1.3μmから2.1μmの範囲の長さを有するSWC
NTからナノリングが形成され、この範囲を外れると実
質的にナノリングの形成は起こらない。
The circumference of the actually formed annular SWCNT having an average diameter of about 540 nm (0.54 μm × 3.14 = 1.7)
μm) is the value of p (0.82 μm) estimated from the model.
m) about twice. As shown in the histogram of FIG. 3A, the SWC having a length in the range of 1.3 μm to 2.1 μm peaked at about twice the value of the sustained length.
Nanorings are formed from NT, and substantially no nanoring formation occurs outside of this range.

【0035】したがって、原料SWCNTの持続長の値
を考慮し、その値の2倍程度の長さを有するオープンエ
ンドSWCNT(自己結合し得る反応性官能基を両端に
有する)を調製することにより、ほぼ一定の大きさを有
する環状カーボンナノチューブ(カーボンナノリング)
を製造できることが理解される。
Therefore, by considering the value of the sustained length of the raw material SWCNT, by preparing an open-end SWCNT having a length about twice that value (having reactive functional groups capable of self-bonding at both ends), Cyclic carbon nanotubes (carbon nanorings) of almost constant size
It will be appreciated that

【0036】[0036]

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明に従え
ば、単層カーボンナノチューブから環状のカーボンナノ
チューブを確実且つ効率的に得ることができる。本発明
によって得られる環状カーボンナノチューブは、カーボ
ンナノチューブの諸性質を保有する特異な形状(環状)
のナノデバイス材料として、電子材料、磁性材料、光学
材料等の新しい機能性材料の開発に資することができる
ものと期待される。
As described in detail above, according to the present invention, cyclic carbon nanotubes can be reliably and efficiently obtained from single-wall carbon nanotubes. The cyclic carbon nanotube obtained by the present invention has a unique shape (cyclic) having various properties of the carbon nanotube.
It is expected that this will contribute to the development of new functional materials such as electronic materials, magnetic materials, and optical materials as nanodevice materials.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に従い、反応性官能基を両端に有するオ
ープンエンドカーボンナノチューブが環状化する様子を
例示する模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a state in which an open-ended carbon nanotube having a reactive functional group at both ends is cyclized according to the present invention.

【図2】本発明に従って形成された環状カーボンナノチ
ューブを例示する原子間顕微鏡写真である。
FIG. 2 is an atomic force micrograph illustrating a cyclic carbon nanotube formed in accordance with the present invention.

【図3】本発明に従って環状カーボンナノチューブが形
成される場合のオープンエンドSWCNTの長さ分布を
統計学的モデルから得られる値と比較して示すものであ
る。
FIG. 3 shows the length distribution of open-ended SWCNTs when cyclic carbon nanotubes are formed according to the present invention, in comparison with values obtained from a statistical model.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単層カーボンナノチューブを切断し、互
いに反応して化学結合を形成し得る反応性官能基を両端
に有するオープンエンドのカーボンナノチューブを調製
する工程であって、単層カーボンナノチューブの持続長
の約2倍の長さのオープンエンドカーボンナノチューブ
が含まれるようにする工程;前記オープンエンドカーボ
ンナノチューブを溶媒中に分散させて、各オープンエン
ドカーボンナノチューブの両端を前記反応性官能基を介
して互いに結合させて環状化する工程;および、得られ
た環状化カーボンナノチューブを熱処理して前記反応性
官能基を介する結合を分解する工程;を含むことを特徴
とする環状カーボンナノチューブの製造方法。
1. A step of preparing single-walled carbon nanotubes having an open-ended carbon nanotube having reactive functional groups at both ends capable of reacting with each other to form a chemical bond by cutting the single-walled carbon nanotubes. Including about twice as long open-ended carbon nanotubes; dispersing the open-ended carbon nanotubes in a solvent so that both ends of each open-ended carbon nanotube are connected via the reactive functional group. A method of producing a cyclic carbon nanotube, comprising: a step of binding to each other to form a ring; and a step of heat-treating the obtained cyclic carbon nanotube to decompose the bond via the reactive functional group.
【請求項2】 オープンエンドカーボンナノチューブの
両端にある反応性官能基が酸素含有官能基であり、この
オーブンエンドカーボンナノチューブを、溶媒としてジ
メチルホルムアミド中に分散させ、ジシクロヘキシルカ
ルボジイミドをカップリング剤として前記酸素含有官能
基を反応させ両端を互いに結合させることを特徴とする
請求項1の環状カーボンナノチューブの製造方法。
2. The reactive functional group at both ends of the open-ended carbon nanotube is an oxygen-containing functional group. The oven-end carbon nanotube is dispersed in dimethylformamide as a solvent, and dicyclohexylcarbodiimide is used as a coupling agent in the oxygen-containing functional group. The method for producing a cyclic carbon nanotube according to claim 1, wherein the both ends are bonded to each other by reacting the contained functional groups.
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