奈米碳管之純化及應用

由化學氣相沉積法合成的奈米碳管，常常伴生有大量雜質(例如奈米 碳顆粒、石墨碎片以及催化劑小顆粒等)，故奈米碳管需要進一步加以純 化。奈米碳管的純化工作有兩部分：一是去除小顆粒催化劑，另一個是 去除雜質碳。大部分的小顆粒催化劑，經酸浸泡可被除去，但有部分催 化劑由於被包裹在奈米碳管內部，或是被奈米碳小顆粒包覆其外，故有 時即使經酸浸泡，也很難保證管內的催化劑被徹底的清除，這也是一般 奈米碳管純化時，常遭遇的問題。

此外，對於碳雜質的去除，其方式有化學方法及物理方法兩種，化

學方法是利用氧化劑對奈米碳管，與碳奈米顆粒等碳雜質之間不同的氧 化速率來完成的，常用的氧化劑有氧氣(或空氣)、二氧化碳、硝酸、混合 酸、重鉻酸鉀等；物理方法則常利用超音波，經降解、離心、沉積、過 濾等程序，來達到雜質碳與奈米碳管分離的目的，從而獲得潔淨的奈米 碳管。

2.3.3.2 應用奈米碳管去除有機污染物

在奈米碳管被發現後，其高比表面積之優異特性，奈米碳管將成為 最具優勢之吸附材質。故新近的研究中，也嘗試將奈米碳管應用於環境 污染物的去除。

Long等[2001]以奈米碳管吸附劑去除戴奧辛，其奈米碳管係以甲烷為 碳源，以化學氣相沈積(CVD)合成，生長之多壁奈米碳管，再經硝酸在 400℃下溶解觸媒粒子一小時，其BET比表面積為155 m²/g。其所製得的 多壁奈米碳管，具有可吸附戴奧辛的化合物鍵，其吸附能力且優於一般 活性碳的2.6倍；Li等[2001]利用序列奈米碳管(aligned carbon nanotubes, ACNTs)吸附水中氟化物，研究發現此ACNTs在前60分鐘的吸附速率相當 快，吸附容量可達3.0 mg/g，並於180分鐘後，逐漸達吸附平衡。當氟化 物濃度為15 mg/L時，中性環境中，ACNTs的最大吸附能力為4.5 mg/g；

Peng等[2003]以奈米碳管吸附水中1,2-二氯苯，經實驗證明生長奈米碳管 (As-grown CNTs)於40分鐘對20 mg/L之1,2-二氯苯溶液，平衡吸附量可達 30.8 mg/g，經熱力學分析顯示其吸附反應自發性高親和力且為吸熱反應。

Li 等[2004]使用已純化後之奈米碳管(purified multi-walled carbon

nanotubes, PMWCNTs)，來吸附揮發性有機化合物(VOCs)，其奈米碳管係 經由甲烷經觸媒分解所得。實驗結果指出 PMWCNTs 對空氣中的 VOCs 具有直接吸附效果，且可搭配吹氣捕捉系統來濃縮水樣中之VOCs。其原 因，乃由於所製備的碳管擁有特殊的孔洞構造，故貫穿體積(BTVs)比相 同比表面積的Carbopack B 或石墨碳黑來的高；Agnihotri 等[2005]測量單 壁奈米碳管(SWNTs)吸附甲苯、甲乙基酮(MEK)、乙烷、環己烷等 VOCs 之吸附容量，實驗發現在25、37 及 50^oC 之恆溫條件下，SWNTs 對 VOCs 的吸附量，可符合Freundlich 等溫吸附行為，其吸附熱為蒸發作用的 1-4 倍，為一物理吸附型態。

Lu等 [2005]利用商用奈米碳管吸附自來水中三鹵甲烷，其奈米碳管 的外徑介於10~30 nm，內徑介於5~10 nm，比表面積則介於225~295 m²/g。研究發現，對三鹵甲烷的飽和吸附量可達2.41 mg/g，吸附達平衡 時間約為150~180分鐘，其吸附能力較傳統的粉末活性碳吸附能力(1.20 mg/g)來的高；袁等[2006]研究將奈米碳管，經酸液純化處理後，可有效 去除表面殘留之催化劑與非晶碳等雜質。例如，以3M硝酸在120℃迴流2 小時後，比表面積可高達122.19 m²/g，較純化前的奈米碳管的比表面積，

約可提升約1.5倍。經以氯苯(初始濃度8.0~65.3 mg/L)之等溫吸附實驗確 認，奈米碳管對氯苯之飽和吸附量介於18.0~322.2 mg/g，其吸附達平衡 時間約12小時。

表 2.6 彙整文獻中奈米碳管吸附去除有機污染物之相關製備條件、奈 米碳管比表面積、有機污染物吸附劑量、以及相關的重要研究結果。

表2.6 奈米碳管吸附去除有機污染物之比較

100-150 mg/g

100-180 mg/g SWNTs 為異質吸附劑且符合 Freundlich 等溫吸附方程式之

描述，且吸附熱為蒸發作用的 1-4 倍，此為物理吸附型態。