碳纳米管的改性研究进展

1、 碳纳米管的改性研究进展 摘要：碳纳米管因其独特的结构与优异的性能，在许多领域具有巨大的应用潜力而引起了广泛的关注。由于碳纳米管不溶于水和有机溶剂，极大地制约了其性能的应用，因此碳纳米管的功能化改性就成为目前研究的热点。 本文简要介绍了碳纳米管及其性质作，详细阐述了碳纳米管的改性研究进展，并对今后的研究方向进行了展望。关键词：碳纳米管；结构与性能；功能化； 共价改性；非共价改性 1. 碳纳米管及其性能简介1.1碳纳米管的结构碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是1991年由日本筑波NEC公司基础研究实验室的Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子

2、时意外发现的一种具有一维管状结构的碳纳米材料。因其独特的准一维管状分子结构、优异的力学、电学和化学性质及其在高科技领域中潜在的应用价值，引起了世界各国科学家们的广泛关注，由此引发了碳纳米管的研究热潮和十多年来纳米科学和技术的飞速发展。碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、中空的微管，每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。根据构成管壁碳原子层数的不同，CNTs可以分为:单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotube，SWNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon na

3、notube, MWNT)两种形式。MWNTs的层间接近ABAB堆垛，其层数从250不等，层间距为0.340.01nm，与石墨层间距（0.34nm）相当。MWNTs的典型直径和长度分别为230nm和0.150m；SWNTs典型的直径和长度分别为0.753nm和150m。与MWNTs比，SWNTs是由单层圆柱型石墨层构成，其直径的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。无论是MWNTs还是SWNTs都具有很大的长径比，一般为1001000，最大可达到100010000，可以认为是一维分子。CNTs有直形、弯曲、螺旋等不同外形。在MWNTs中不同石墨层的螺旋角各不相同，由Euler定理可知，在C

4、NTs的弯曲处，一定要有成对出现的五元环和七元环才能使碳纳米管在弯曲处保持光滑连续，而封闭的两端半球形或多面体的圆拱形是由五元环参与形成的。但是实际制备的CNTs或多或少存在这样那样缺陷，主要缺陷有三种类型：拓扑学缺陷，重新杂化缺陷和非完全键合缺陷。目前，CNTs的生长机理还不十分清楚，在提出的几种模型中，“开口生长模型”解释了多壁CNTs内层管壁的生长机理。其基本观点认为CNTs的生长始于原子在催化剂颗粒的表面析出，重排呈管状，此后当周围的碳原子通过碰撞等方式与碳纳米管“开口”端的碳原子结合成键时，CNTs逐渐长长，而当开口端封闭时，CNTs结束生长。这种模型可解释电弧放电法制备CNTs的生

5、长机理。图1 碳纳米管示意图：SWNTs（左）与MWNTs（右）1.2碳纳米管的性质CNTs具有最简单的化学组成及原子结合形态，却展现了丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学性能。由于它可看成是片状石墨卷成的圆筒，因此必然具有石墨优良的本征特性，如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、有自润滑性和生物相容性等一系列综合性能。但CNTs的尺度、结构、拓扑因素等相结合又赋予了CNTs极为独特而具有广阔应用前景的性能。（1）力学性能：CNTs的基本网格和石墨烯一样，是由自然界最强的价键之一，由SP2杂化形成的C=C共价键组成，有着很高的机械强度，其轴向弹性模量目前从理论估计和实验测定均接近石墨烯片

6、，又由于CNTs是中空的笼状物并具有封闭的拓扑结构，能通过体积变化来呈现其弹性，故能承受大于40%的张力应变，所以CNTs具有极高的强度和弹性模量。理论上测定的单壁碳纳米管的杨氏模量可达1. 28TPa，其弹性模量与金刚石的弹性模量几乎相同，约为钢的5倍，其理论抗拉强度为钢的100倍，而密度仅为钢的l/6；并且具有超高的韧性和可弯曲性，理论最大延伸率可达20%，SWNTs可承受扭转形变并可弯成小圆环，应力卸除后可完全恢复到原来状态。多壁碳纳米管的杨氏模量为200400GPa，弯曲张力为14GPa，抗扭曲张力为100GPa。碳纳米管的强度比其他纤维高200倍，可以经受100万个大气压而不破裂。C

7、NTs无论强度还是韧性，都远远优于任何纤维材料。（2）电学性能：CNTs的碳原子之间是SP2杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的p轨道上，因此CNTs具有优良的导电性能。CNTs的能隙随螺旋结构或直径变化受量子尺寸效应的影响，随着螺旋度和直径的不同，单壁碳纳米管中电子从价带进入导带的能隙可从接近零连续变化到leV，即CNTs可以呈现出金属性、半金属性或半导体性。此外，电子在CNTs的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应，而电子在轴向的运动不受任何限制。CNTs的径向电阻大于轴向电阻，并且这种电阻的各向异性随着温度的降低而增大。（3）热学性能：CNTs具有良好的传热性能，并且由

8、于具有非常大的长径比，因此其沿着长度方向的热交换性能很高，而其在垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，CNTs可以用来制备高各向异性的热传导材料。碳的石墨化程度越高，其导热系数越大。另外，CNTs有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。（4）热学性能：CNTs由于比表面积大，表面能和表面结合能较高，因而表现出很高的化学活性，并且具有优良的电子传导能力，对反应物和产物有吸附和脱附性能以及特殊的空腔立体选择性等诸多性质。CNTs可吸附大小适合其内径的任意分子，利用其开口顶端的活性作为粒子吸附剂，吸附一些活性高的粒子，做成分子水平的优良催化

9、剂。此外，碳纳米管还可以作为纳米模板应用在化学合成中，将化学反应限制在一维空间中，是形成纳米级复合物，构筑纳米元件和制备一维纳米导线最有效的手段。（5）生物相容性：CNTs结构稳定不易降解，而且具有疏水性表面，用于生物医药材料时必须考虑其生物相容性。研究发现，通过生物分子修饰可显著改善其生物相容性，而且CNTs表面与众多医药分子之间存在较强的-作用，因此可望用作药物载体，生物传感器，生物催化剂等，在生物医药领域将会发挥巨大作用。（6）催化性能：碳材料本身就是一种优良的催化材料，化工生产中有着广泛的应用。CNTs还具有独特的空腔结构和良好的吸附能力，也是优良的催化剂载体。因此，CNTs在催化方面

10、也显示出良好的应用前景。 2. 碳纳米管的改性研究进展虽然CNTs自问世以来一直以其独特的结构和优异的性能成为人们关注的焦点，并在复合材料、场发射器、纳电子器件、SPM探针、催化剂及储氢材料等方面表现出巨大的应用潜力，但只有实现大规模、高纯度的生产才能保证CNTs相关的基础研究和应用探索。然而，CNTs是一种高分子的无机材料，管与管之间具有较强的吸附力，CNTs易聚集成束或缠绕，使得CNTs不溶于水和有机溶剂，并且成束难以分散，与其他材料相比，CNTs表面是相对惰性的，这极大的限制了CNTs在各个领域的应用研究。因此，为进一步发挥和改善CNTs的性能，CNTs的研究方向主要转向CNTs的改性方

11、面或功能化处理方面，CNTs的改性和功能化处理己成为国际CNTs研究的一个重要领域。CNTs的改性就是指用物理或化学方法对其表面进行处理，改变其表面的物化性质，降低CNTs的表面能，消除其表面电荷，提高其与有机相的结合力；目前已报道的许多改性CNTs的方法大致可以分为四类：CNTs管壁共价键化学改性、管壁及管端缺陷点的化学改性、非共价键改性以及管内填充；根据改性目的的不同，CNTs改性可分为油溶性改性、水溶性改性以及复合材料相容性改性。功能化修饰可提高CNTs的溶解度，有助于CNTs的纯化，使其结构发生特定的变化，在保持原有特性的基础上产生一些具有反应活性的官能团，从而引入新的性能。CNTs的

12、功能化方法按其反应机理可分为共价功能化和非共价功能化2种，目前，CNTs功能化研究已逐步发展成为制备具有某些特定功能的CNTs及其复合材料的手段。功能化后的CNTs不仅保持了原有的特异性质，而且还表现出修饰基团参加反应的活性，为CNTs的分散、组装及表面反应提供了可能。将共价功能化的CNTs应用到复合材料、催化剂载体、电子器件、光学材料及生物医学等领域当中，逐渐成为一个新的研究热点，引起了科学家的极大兴趣，也使得CNTs在纳米材料的舞台上更加活跃。 2.1碳纳米管的共价键功能化改性理论上讲，CNTs完美的类石墨表面结构具有很好的稳定性和化学反应惰性，但在端头及弯折处存在大量缺陷，这些缺陷部位易

13、被氧化生成羧基和羟基等，从而可与其它的化学试剂发生反应。共价功能化按功能化的部位可分为端口功能化和侧壁功能化。一般采用的手段是用浓酸氧化开口，截成短管，使末端或(和)侧壁的缺陷位点带上羧基，然后再进行修饰。另外，活泼性反应基团如重氮盐或卤素等也可直接与侧壁的SP2杂化碳原子进行反应。共价改性能够将功能性基团牢固的键合在CNTs表面，但可能会对CNTs的结构和性能造成明显破坏。下面主要从从碳纳米管的端口与缺陷位置功能化和侧壁功能化两个方面进行阐述。2.1.1 碳纳米管的端口与缺陷位置功能化改性CNTs的端头是由碳的五元环和六元环组成的半球形，强氧化剂可将端头打开氧化成羧基，从而与其它的化学试剂反

14、应。而在管壁上CNTs本身就含有一些缺陷位置，如图2所示，五元/七元环对位置缺陷，sp3杂化位置缺陷以及纳米管晶格空位缺陷。这些原生的缺陷点就很容易通过强酸对管壁的氧化破坏作用而留下空洞，从而连接功能基团。由于CNTs端口与缺陷位置的存在，因此可以通过连接不同的化学物质与基团而达到CNTs的功能化。 图2 碳纳米管表面的典型缺陷位置：(A)碳构架上的五元环七元环取代六元环而导致的纳米管弯曲；（B)SP3杂化缺陷(R=H，OH)；（C)由于氧化作用在碳构架上破坏产生的连接COOH的小洞；(D) 碳纳米管开口端末位置连接COOH等功能基团。图3 碳纳米管端口与缺陷位置共价功能化示意图CNTs的端帽

15、处是锥度和曲度最大处，是CNTs的最择优反应部位，许多研究就是利用这一择优反应打开CNTs的两端。CNTs的共价功能化的研究最初是从CNTs的化学切割开始的。1994年Green等发现，利用强酸对CNTs进行化学切割，可以得到开口的CNTs。他们随后研究表明,强酸处理后的CNTs在其表面生成了很多COOH、OH官能团，而且在强酸处理前对其进行超声波预处理，可以增加官能团的数量。Liu等首先将单壁碳纳米管用混酸处理得到100300nm的短管，接着用体积比为4:1的浓硫酸和30%的过氧化氢氧化，得到羧基化单壁CNTs。CNTs的共价功能化基团可以明显改善CNTs在有机溶剂与水溶液中的溶解度。199

16、8年，Hamon等利用十八胺与单壁CNTs的酰氯进行反应，得到了CNTs的十八胺衍生物。这种单壁CNTs可以溶于CS2、CHCl3、CH2Cl2 等多种有机溶剂，高浓度时呈黑色，低浓度时呈棕色，是世界上首次得到的可溶性碳纳米管。碳纳米管管端的改性见图4所示。图 4 碳纳米管的管端的改性Niyogi和Chen等通过氨基和羧基之间的缩合反应,将长链烷基胺引入到CNTs表面。实验过程为：先将含COOH官能团的CNTs与氯化亚砜反应从而将羧基转化为酰氯，然后再与十八烷基胺(ODA) 反应，得到含有酰胺官能团的CNTs；或者将经强酸氧化后的CNTs直接与胺基化合物进行缩合反应，该化学修饰过的CNTs能溶

17、解在四氢呋喃(THF) 或二氯苯中。CNTs端头和侧壁缺陷位置在羧基化基础上，还能继续进行胺化、酯化和酰化等反应。Liu等发现，CNTs经强酸氧化后，端帽打开，而端帽和管壁侧面缺陷处的COOH官能团还能进一步发生衍生反应。Azamian等先对CNTs羧酸化，然后再在碳化二亚胺辅助活化下与2胺乙硫醇反应，实现了CNTs的硫胺化，引进的巯基官能团用粒径均匀的金胶标记，这样用原子力显微镜(AFM) 就可直接观察到碳纳米管共价功能化的情况。同样，进一步的功能基团修饰改善了CNTs与不同溶剂的相互作用，也使CNTs的溶解度得到很大的提高。Yamaguchi等将硝酸处理过的CNTs (末端含有酰氯基团)和

18、聚醚(酰)亚胺(PEI)通过胺化反应制备出侧壁PEI分子功能化的碳纳米管，表面的长链PEI 分子使其可溶于水、甲醇、二甲亚砜等强极性溶剂中。Lin等以N，N二环己基碳二亚胺作引发剂，将经硝酸预处理过的CNTs和聚乙烯醇(PVAL) 通过酯化反应制备出聚乙烯醇功能化(含PVAL链段) 的CNTs，此CNTs能溶于水和二甲亚砜等强极性溶剂。在功能化碳纳米管的材料上，人们又尝试把金属或半导体性质的纳米簇连接到CNTs上，在构建分子水平的具有新性能、新效应及新应用的复合器件。但是，由于CNTs的化学惰性，连接纳米簇之前要首先对其表面进行化学功能化活化，通过功能基团作用将金属微粒或离子“拴”在CNTs表

19、面上。Yu等采用氧化等手段，在CNTs的表面引入功能基团,再利用过渡金属的配位性能将铂掺入到碳纳米管中。Lordi等利用原位还原K2PtCl4和离子交换，通过羧基将铂纳米簇“拴”在CNTs表面上。利用表面活性剂或是化学预处理，CNTs的表面也可以被一些金属离子或是金属团簇所修饰：Satishkumar制备了Au、Pt 和Ag纳米颗粒修饰的经酸预处理的CNTs；Hernadi通过热分解AlCl3和异丙醇铝(AlIP)，制得铝覆层的多壁碳纳米管复合物，研究发现其中经表面活性剂预处理的碳管与AlCl3作用可得到均匀覆层Al (OH)3的CNTs。Hazani等通过共焦荧光成像研究了DNA功能化的碳纳

20、米管特性，为研究DNA选择性杂交提供了新的材料和方法。DNA修饰的CNTs不仅增加了CNTs的水溶性，而且使碳纳米管成为生物传感器的重要元件。特别应该指出的是碳化二亚胺辅助活化法，它是生物分子(水溶性蛋白、核酸等)共价功能化的有效途径，明显改进了CNTs的溶解度。Huang等通过活性二酰亚胺胺化反应把蛋白质(BSA)耦合到CNTs上，而且BSA仍保持着活性。Hazani等通过碳化二亚胺辅助酰胺化,实现了CNTs胺基功能化的低聚核苷酸的共价修饰，得到高水溶性的加合物。Fu等以氨丙基三乙氧基硅烷为媒介在CNTs表面生长SiO2，其重要性在于在不破坏碳纳米管电子结构特性的情况下，为CNTs包裹了一层

21、SiO2，使CNTs表面能够固定特定的生物分子。2.1.2碳纳米管的侧壁功能化改性非平面共轭有机分子的应力主要产生于两个方面：共轭碳原子的锥形化和相邻共轭碳原子对的轨道非线性化。这是导致碳纳米管加成反应的主要原因。碳纳米管的侧壁是由C的六元环构成，每六元环的碳原子都以sp2杂化为主，每个碳原子又都以sp2杂化轨道与相邻六元环上的碳原子sp2杂化轨道相互重叠形碳的键，每个碳原子的3个sp2杂化轨道的对称轴之间的夹角是120，这样就形成了正六边的碳骨架。此外，每个碳原子还有1个垂直于此平面的P轨道，它们形成高度离域化的大键，这些P电子可以通过-键的相互作用和其他含电子的化合物作用而得到改性的碳纳米

22、管。例如，单壁碳纳米管的sp2杂化轨道与镍的d轨道重新杂化而形成Ni-CNTs复合材料。碳纳米管侧壁的改性如图5所示。图 5 碳纳米管的管侧壁的改性碳纳米管侧壁化学修饰始于碳纳米管的氟化研究。Hamwi等发现碳纳米管与元素氟能发生加成，形成氟化的CNTs。控制不同的反应温度，可以控制氟化的程度。氟化后的CNTs易被亲核试剂进攻，从而得到可溶的CNTs。机理上，氟与单壁碳纳米管的加成存在1, 4-加成和1, 2-加成两种方式。Halas等借助AM1和CNDO计算1, 4-加成从能量上是有利的，并且很好地解释了首次获得单壁氟化碳纳米管的扫描电镜(STM) 图像的带形分界现象。进一步研究发现，在醇中

23、超声波作用下，氟化CNTs可形成溶液相，状态可稳定数天或一周。这可能是氟化碳纳米管中的氟和醇中的氢形成较强的氢键所致。这种在醇中溶剂化为研究侧壁氟化碳纳米管的物理和化学性质成为可能。侧壁氟化为侧壁连接亲核取代基打开了通道，并且取代基的末端官能团(例如NH2、OH、COOH)可根据需要进一步进行化学修饰。对碳纳米管的亲核加成、芳基化作用、自由基加成和亲核取代等反应都有相应研究。Boul等通过格氏试剂和甲基锂试剂将烷基由CC键共价连接到碳管侧壁，并证明在CNTs上修饰烷基是通过化学吸附作用而不是物理吸附。在单壁碳纳米管壁上引入烷基或烷氧基会明显改善溶解度，这种侧壁加成将单壁碳纳米管的侧壁部分碳原子

24、从sp2杂化改为sp3杂化，会导致电子结构改变。Margrave和Smalley等研究了单壁碳纳米管在不同温度下的氟化反应，将纯化后的CNTs通入氟和氦的混合气体，能得到侧壁氟化的纳米氟管。这种氟化碳管在醇溶液中呈单分散，可得到亚稳态的溶液。用无水肼可使氟管脱氟，得到不含氟的碳纳米管，也可将氟管在甲醇钠中超声处理，管壁上的氟可与甲氧基发生取代反应而被取代，得到甲氧基碳纳米管；还可进一步与烷基锂(如己基锂)或烷基溴化镁在超声波作用下反应,得到含有烷基链的氟化碳纳米管，并可溶于氯仿和四氢呋喃等多种有机溶剂。碳纳米管的氟化、脱氟及进一步的化学修饰可为其多功能化提供了一条重要途径。Margrave等从

25、能量角度考虑，认为是通过加成消除机理进行取代(SN2) 机理。Huang等以端氨基聚乙二醇低聚物(PEG)作为功能化试剂，采用3种功能化方法:酸碱两性离子作用(即直接热反应) 、酰化酰胺化及碳化二亚胺活化的偶合反应，研究不同反应条件下CNTs功能化效果的差异。结果表明，直接热反应和酰化酰胺化可得到了分散性良好的CNTs，碳化二亚胺功能化适合一些特定需要。迄今，所有功能化方法的局限在于溶解和分散CNTs，需消耗超大量的溶剂。Dyke等报道了一种免溶剂制备功能化碳纳米管的方法，对碳纳米管实现了各种4-取代苯胺的侧壁功能化，为大规模的CNTs功能化开辟了新的途径。Stevens等利用氟化碳管作为前体

26、，端胺基二胺为亲核试剂，将N-次烷氨基通过CN键共价连接到CNTs的侧壁。这种CN功能化方法为键合氨基酸、DNA、聚合物等提供了合成途径，并且为尼龙碳纳米管高分子材料的合成提供了纳米管前驱体。 2.2碳纳米管的非共价键功能化改性非共价键功能化改性也是对CNTs进行改性的一种重要手段。由于共价键功能化改性会破坏CNTs的结构，从而大大减弱甚至消除了其独特的性质。于是，既可以保持CNTs的原有性质，又可以实现功能化的修饰方法便成为研究的核心课题，非共价功能化开始越来越多地被人们所认识，非共价改性的特点在于在对CNTs进行化学改性的同时不影响碳管的电子结构。CNTs侧壁由sp2碳原子构成，具有大量高

27、度离域的电子体系，这些电子可以与含有电子的其他化合物通过-键作用而结合得到功能化的CNTs。CNTs也可通过自组装而形成热力学稳定结构, 在不破坏纳米管原来结构的基础上，利用氢键、-键、静电引力、范德华力、疏水和亲水作用来使小分子在其侧壁上吸附，而大分子通过高聚物链缠绕而实现修饰作用。Smalley等人成功地将线性聚合物聚乙烯比咯烷酮(PVP)和磺化聚苯乙烯(PSS)通过-相互作用包裹到SWNTs管壁上，得到了水溶性的SWNTs。实验结果表明，聚合物分子紧密、均匀地缠绕在SWNTs管壁上，如图6所示。聚合物链改善了SWNTs管壁的疏水性，较好地解除了SWNTs的聚集效应，使其呈单分散，具有较好

28、的亲水性。值得一提的是，这种聚合物和SWNTs之间的包裹作用是可逆的，通过改变溶剂体系，聚合物链能从SWNTs管壁上脱落，而且不会影响SWNTs的结构和性质。研究还表明，烷基链的长度及形状对表面活性剂分散碳纳米管的效率有较大的影响，烷基链越长，枝化度越高的表面活性剂分散碳纳米管的效率越高。图 6 侧壁高聚物链的非共价包裹Zhao等利用芳香有机分子对CNTs进行修饰，发现芳香族化合物与CNTs之间的电子耦合作用可影响CNTs的导电和电子传输性质。在梯度归纳( GGA) 的水平上，利用密度功能化计算方法比较了不同的有机分子( C6H6、C6H12、C8N2O2Cl2)在与CNTs发生电子耦合过程中

29、的电子传输能力。结果表明，对CNTs而言，C6H6、C6H12是很弱的电子给予体；而C8N2O2Cl2是很强的电子接收体，其与CNTs之间的耦合作用可将碳纳米管由半导体变成了导体。Kim等人用十六烷基三甲基氢氧化铵与4-乙烯基苯磺酸进行中和反应获得了一种带有可聚合反离子的阳离子表面活性剂(CTVB)。然后，将SWNTs分散于CTVB水溶液中，引发反离子进行原位自由基聚合，将表面活性剂固定在SWNTs上，最后进行冷冻干燥得到了聚合物改性的SWNTs粉末，该粉末只需轻微搅拌在10分钟之内即可溶于水中，实验过程如图7所示。图 7 聚合物改性的SWNTs粉末的制备Carrillo等以双亲高聚物聚苯乙烯

30、顺丁烯二酸酐( h-PSMA) 为原料，首先利用疏水作用与碳纳米管表面接着，随后利用h-PSMA上的碳酸基团再次引入第2种高聚物聚哌嗪，从而形成彼此交错的双高聚物层，提高了高聚物层的稳定性。反复利用同样的方法可以不断接上各种高聚物，形成多层高聚物。通过这些高聚物就可以使碳纳米管与金纳米颗粒、生物分子及各种配体接着，从而达到各种功能化的需求。Islam等利用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠( NaDDBS) 十二烷基磺酸钠 ( SDS) 和非离子表面活性剂Triton X-100分别处理碳纳米管，分析了表面活性剂吸附在碳纳米管表面的机理如图8所示，他们认为，表面活性剂包覆在碳纳米管的表面，提高了

31、碳纳米管在水溶液中的分散性并且表面活性剂所带的活性基团烷基链的长度以及与碳纳米管之间的相互作用是影响碳纳米管分散的主要因素。阴离子表面活性剂主要是通过憎水基团吸附在碳纳米管的表面，亲水基团所带的同种电荷增加了碳纳米管之间的静电斥力，从而提高了碳纳米管的分散性。图 8 不同表面活性剂在碳纳米管表面吸附的示意图Star等以碘和正丁醇等小分子作为模板，先将直链淀粉预组装成左手螺旋结构，然后让CNTs与小分子竞相进入螺旋结构内部，从而使其溶于水中。支链淀粉不能与碘形成复合物，因此不溶解CNTs，但其存在有助于直链淀粉与CNTs形成稳定的水溶物。在此基础上，Kim等首先将SWNTs在水中预超声进行分散，

32、然后将直链淀粉及分散好的碳纳米管放入一定浓度的二甲基亚砜( DMSO) 水溶液中，然后再超声，最大程度地协调碳纳米管与直链淀粉的作用，使纳米管能迅速、完全地溶解于DMSO水溶液及纯水中。碳纳米管的非共价功能化是近几年发展起来的新兴研究方向，由于起步较晚，尚存在许多不足。例如，溶性的碳纳米管的合成方法尚不完备，表征方法尚不成熟，许多功能化后的纳米管由于无法表征而不能得出令人信服的结论，而功能化后的碳纳米管组装问题也更待研究。3. 结语与展望碳纳米管因其特殊的管状结构，使其具有特异的电学性能与力学性能，在复合材料、电学材料、传感器及生物医药等领域有着广泛的应用。然而它在溶剂中的溶解性以及与其他材料

33、的相容性均较差，这制约了它的应用，因此需要对其进行改性，以增加其在溶剂及其他材料中的分散性。碳纳米管的功能化涉及无机化学、有机化学和生物化学等领域，正是这种多学科的交叉与渗透更加显示其有巨大的研究和应用价值。目前，碳纳米管功能化主要是在结构上进行化学共价与非共价修饰，使其在某些溶液环境或者纳米复合材料中均匀分散，并且表现出继续参加反应的活性。功能化改性后的碳纳米管具有良好的溶解性和分散性，可用于色谱、毛细管电泳等液相分离技术领域。与此同时，由于碳纳米管在功能化后具有修饰物和本身的双重性质，因此成为物理学、生物学、材料学、医药学以及其他相关学科争相研究的对象。碳纳米管的改性是近年发展起来的一个新兴研究方向，从目前的研究现状来看，碳纳米管的改性研究尚处于起步阶段，有待于进一步完善。例如：改性的方法还不是很成熟，碳纳米管之间还很难真正完全分开，表征手段也不完备，目前真正实现工业化还有一段距离。但是随着