University of Oulu

Chemical modification of single-walled carbon nanotubes via alkali metal reduction

Saved in:
Author: Pulkkinen, Elina1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Science, Chemistry
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 6.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526212449
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2016
Publish Date: 2016-06-03
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the Arina auditorium (TA105), Linnanmaa, on 15 June 2016, at 12 noon
Tutor: Professor Marja Lajunen
Doctor Janne Asikkala
Reviewer: Professor Markku Leskelä
Professor Mika Pettersson
Opponent: Professor Tuula Pakkanen
Description:

Abstract

Carbon nanotubes are a promising material for various applications due to their unique collection of properties. However, carbon nanotube material as such is inert and insoluble, which hampers the true realization of its potential. In order to enhance the applicability of carbon nanotubes, their surface must be modified. This work concerned the chemical modification of single-walled carbon nanotubes (SWNT) by the Birch reduction, which is based on the reduction of the SWNT surface with the valence electron of alkali metal solvated in liquid ammonia. The reduction generates a SWNT anion, which reacts with electrophiles resulting in the covalent attachment of functional groups to the tube surface. In this work, aryl halides or alcohols were used as electrophiles to yield arylated or hydrogenated SWNTs, respectively.

At first, the goal was to modify SWNTs as a filler material for polystyrene. The use of five halogenated ethenylphenyl derivatives as electrophiles revealed that the structure of electrophile affected the success of functionalization and the solubility of SWNTs in polystyrene-toluene solution. The most successful functionalization and solubilization of SWNTs were achieved with 1-chloro-4-ethenylbenzene.

In the second part, liquid ammonia was replaced with a new solvent, 1-methoxy-2-(2-methoxyethoxy)ethane (diglyme) in order to avoid the restrictions, hazards and inconvenience of its handling. The work concentrated on the study of alkali metal reduction of SWNTs in diglyme by the use of arylation with 4-iodobenzoic acid or 4-chlorobenzoic acid and hydrogenation as model reactions. Li, Na or K was used as an alkali metal while naphthalene or 1-tert-butyl-4-(4-tert-butylphenyl)benzene was used in order to enhance the solvation of electrons. As a result, functionalization was simplified and enhanced. Electrophile affected the functionalization in such a way that arylation was significantly more successful than hydrogenation. The effect of alkali metal and electron carrier varied with electrophile. The most successful hydrogenation was achieved with the complex of Li and 1-tert-butyl-4-(4-tert-butylphenyl)benzene while arylation was the most successful with the complex of K and naphthalene. The solubility of SWNTs in water, ethanol, methanol and dimethylformamide was clearly improved by arylation whereas hydrogenation led to moderate improvement.

see all

Tiivistelmä

Hiilinanoputket ovat ainutlaatuisten ominaisuuksiensa vuoksi lupaava materiaali moniin sovelluksiin, mutta liukenemattomuus ja epäreaktiivisuus haittaavat niiden tehokasta hyödyntämistä. Käytettävyyttä voidaan parantaa kemiallisella modifioinnilla. Tässä työssä yksiseinäisiä hiilinanoputkia modifioitiin Birch-pelkistyksellä, joka perustuu putken pinnan pelkistykseen nestemäiseen ammoniakkiin solvatoituneella alkalimetallin valenssielektronilla. Pelkistyksessä hiilinanoputkesta muodostuu anioni, joka reagoi elektrofiilin kanssa johtaen funktionaalisten ryhmien kovalenttiseen sitoutumiseen putken pintaan. Tässä työssä hiilinanoputkia aryloitiin käyttämällä aryylihalideja elektrofiilinä tai vedytettiin käyttämällä alkoholia.

Aluksi tavoitteena oli hiilinanoputkien modifiointi sellaiseen muotoon, että niitä voitaisiin käyttää polystyreenin täyteaineena. Viittä aryylihalidia käyttämällä havaittiin, että elektrofiilin rakenne vaikutti funktionalisoinnin määrään ja putkien liukoisuuteen polystyreeni-tolueeni-liuokseen. 1-Kloori-4-etenyylibentseenillä saavutettiin onnistunein arylointi ja paras liukoisuus.

Työn toisessa osassa luovuttiin ammoniakin käytöstä siihen liittyvien rajoitteiden ja haittojen vuoksi. Keskityttiin hiilinanoputkien alkalimetallipelkistyksen tutkimiseen uudessa liuottimessa, 1-metoksi-2-(2-metoksietoksi)etaanissa (diglyymi). Mallireaktioina käytettiin arylointia 4-jodibentsoehapolla tai 4-klooribentsoehapolla ja vedytystä alkoholilla. Ammoniakin korvaaminen diglyymillä yksinkertaisti ja tehosti funktionalisointia. Reaktiot suoritettiin eri alkalimetalleilla (Li, Na tai K). Naftaleenia tai 1-tert-butyyli-4-(4-tert-butyylifenyyli)bentseeniä käytettiin elektronien solvatoinnin parantamiseksi. Elektrofiilin rakenne vaikutti funktionalisointiin siten, että aryylihalidi johti huomattavasti onnistuneempaan funktionalisointiin kuin alkoholi. Alkalimetallin ja elektroninkantajamolekyylin vaikutus vaihteli elektrofiilin mukaan. Litiumin käyttö 1-tert-butyyli-4-(4-tert-butyylifenyyli)bentseenin kanssa johti onnistuneimpaan vedytykseen. Kaliumin käyttö naftaleenin kanssa johti onnistuneimpaan arylointiin. Hiilinanoputkien liukoisuus vaihteli elektrofiilin mukaan. Arylointi paransi selkeästi hiilinanoputkien liukoisuutta veteen, etanoliin, metanoliin ja dimetyyliformamidiin. Vedytyksen vaikutus liukoisuuteen oli vähäisempi.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-952-62-1244-9
ISBN Print: 978-952-62-1243-2
Issue: 677
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.