碳纳米管海绵中的可控毛细抽吸

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• 论文作者：李锡英 ; 薛亚辉 ; 曹安源 ; 段慧玲
• 年：2016
• 作者机构：北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室;北京大学工学院材料科学与工程系;北京大学应用物理与技术研究中心;
• 论文关键词：微纳米孔隙 ; 流动控制 ; 碳纳米管海绵 ; 电毛细作用 ; 驱油
• 会议召开时间：2016-09-27
• 会议录名称：第十四届全国物理力学学术会议缩编文集
• 语种：中文
• 分类号：O363.2
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第十四届全国物理力学学术会议
• 会议地点：中国四川绵阳
• 主办单位：中国力学学会物理力学专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：1
• 文件大小：59k
• 原文格式：O
• 会议级别：全国

摘要

微纳米尺度物质输运具有很多独特的性质,并广泛存在于油藏开采、海水淡化、环境保护以及动植物体内物质运输等过程。其中,微纳米尺度下的自发毛细抽吸作为一种典型的输运现象得到了极大的关注。传统多孔材料如岩石、纤维束等,其自身特性的不可变性(如孔隙大小、亲疏水性等)限制了其内部流动的可控性,并阻碍了对毛细输运的控制以及相关拓展应用研究。相对于传统的多孔材料,导电纳米多孔材料具有导电性,基于电浸润原理可以实现对表面浸润性质的控制,从而达到对流动行为的控制,例如在纳米多孔金中可以利用电势提高毛细抽吸速率口等。采用化学气相沉积方法合成的碳纳米管海绵,其内部由众多多壁碳纳米管堆积而成,平均孔径在80 nm左右,且具有较高的孔隙率~([2])。与去合金方法制备的纳米多孔金相比,该海绵的制备成本较低,机械稳定性好,多次挤压变形后仍能维持结构完整,而且具有超疏水性和导电性,因此在电毛细可控输运方面具有巨大的应用潜力。(1)通过实验发现,电毛细作用可以明显改变碳纳米管海绵的亲疏水性,使其由疏水状态变为亲水状态,从而促使抽吸作用的发生(临界电压为0.52 V)。由于其具有较高的孔隙率,纳米碳管海绵内的最高自发抽吸速率可以达到纳米多孔金的20多倍。(2)更重要的是,我们发现通过施加阶跃电势(如-1.2和-0.1 V),可以实现对毛细流动的"开/关"控制~([3])。(3)另外,利用碳管海绵的可压缩性,通过挤压作用可以调节海绵的内部孔径,且不影响其内部毛细流动的可控性。我们还观察到,伴随着孔径的减小,孔隙内抽吸速度反而增加,该现象可能与碳管表面滑移效应有关。(4)在表面活性剂的共同作用下,利用较低电压下的电毛细作用,可以在预先充满有机试剂的海绵中实现有机溶剂的高效驱替(驱替效率可达99%以上),且吸收和驱替有机试剂过程可反复进行而不影响海绵的吸收和驱替效率~([4])。基于以上研究可知,碳纳米管海绵具有优异且可控的电毛细抽吸性质,有望在微纳米尺度流体控制、生物检测、环境保护等领域发挥重要作用。

引文

[1]XUE Y.MARKMANN J,DUAN H,et al.Switchable imbibition in nanoporous gold[J].Nat Commun,2014,5:4237.
    [2]GUI X,WEI J,WANG K.et al.Carbon nanotube sponges[J].Adv Mater,2010,22:617-621.
    [3]XUE Y.YANG Y.SUN H,et al.A switchable and compressible carbon nanotube sponge electrocapillary imbiber[J].Adv Mater,2015,27(44):7241-7246.
    [4]LI X,XUE Y,ZOU M,et al.Direct oil recovery from saturated carbon nanotube sponges[J].ACS Appl Mater Intcrfaccs,2016,8(19):12337-12343.