Spectroscopic investigation confirms retaining the pristine nature of single-walled carbon nanotubes on dissolution in aniline

Abstract

Carbon nanotubes in all forms are very much insoluble in both organic and inorganic solvents due to its high agglomeration and entangled morphology. General methods for dissolution of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) are mostly associated with complexation or polymerization or addition of macromolecules which change the physical or chemical properties of SWNTs and the pristine nature of SWNTs is lost. Dissolution of SWNTs in a solvent like aniline is practiced here which is a very simple reaction method. Here aniline is capable to form a SWNT-aniline charge transfer complex without attachment of macromolecules or polymer which is also soluble in other organic solvents. Solvation of SWNTs by this method is also capable of maintaining the similarity between the structure of SWNTs before and after the dissolution, which means that the pristine nature of SWNTs is preserved. Formation of charge transfer complex in this reaction has been proven by UV-Vis/NIR absorption and photoluminescence spectroscopy. Raman spectroscopy and electron microscopy (FESEM and TEM) are the evidences for protection of the pristine nature of SWNTs even after high-temperature complexation reaction with aniline and also after solubilization in organic solvents.

Keywords

single-walled carbon nanotubes / aniline / dissolution / organic solvent / spectroscopy

References

[1] Iijima S, Ichihashi  T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature, 1993, 363(6430): 603–605

[2] Treacy M M J ,  Ebbesen T W ,  Gibson J M . Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes. Nature, 1996, 381(6584): 678–680

[3] Falvo M R, Clary  G J, Taylor  R M, . Bending and buckling of carbon nanotubes under large strain. Nature, 1997, 389(6651): 582–584

[4] Wilder J W G ,  Venema L C ,  Rinzler A G , . Electronic structure of atomically resolved carbon nanotubes. Nature, 1998, 391(6662): 59–62

[5] Odom T W, Huang  J L, Kim  P, . Atomic structure and electronic properties of single-walled carbon nanotubes. Nature, 1998, 391(6662): 62–64

[6] Baughman R H, Zakhidov  A A, de Heer  W A. Carbon nanotubes — the route toward applications. Science, 2002, 297(5582): 787–792

[7] Li H, Feng  L, Guan L , . Synthesis and purification of single-walled carbon nanotubes in the cottonlike soot. Solid State Communications, 2004, 132(3–4): 219–224

[8] Jo J W, Jung  J W, Lee  J U, . Fabrication of highly conductive and transparent thin films from single-walled carbon nanotubes using a new non-ionic surfactant via spin coating. ACS Nano, 2010, 4(9): 5382–5388

[9] Lipomi D J, Vosgueritchian  M, Tee B C K , . Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes. Nature Nanotechnology, 2011, 6(12): 788–792

[10] Lee J Y, Connor  S T, Cui  Y, . Solution-processed metal nanowire mesh transparent electrodes. Nano Letters, 2008, 8(2): 689–692

[11] Peumans P, Yakimov  A, Forrest S R . Small molecular weight organic thin-film photodetectors and solar cells. Journal of Applied Physics, 2003, 93(7): 3693–3723

[12] Andersson A, Johansson  N, Broms P , . Fluorine tin oxide as an alternative to indium tin oxide in polymer LEDs. Advanced Materials, 1998, 10(11): 859–863

[13] Chen J, Hamon  M A, Hu  H, . Solution properties of single-walled carbon nanotubes. Science, 1998, 282(5386): 95–98

[14] Riggs J E, Guo  Z, Carroll D L , . Strong luminescence of solubilized carbon nanotubes. Journal of the American Chemical Society, 2000, 122(24): 5879–5880

[15] Sun Y P, Guduru  R, Lawson G E , . Photophysical and electron-transfer properties of mono- and multiple-functionalized fullerene derivatives. The Journal of Physical Chemistry B, 2000, 104(19): 4625–4632

[16] Tang B Z, Xu  H. Preparation, alignment and optical properties of soluble poly(phenylacetylene)-wrapped carbon nanotubes. Macromolecules, 1999, 32(8): 2569–2576

[17] O’Connell M J ,  Bachilo S M ,  Huffman C B , . Band gap fluorescence from individual single-walled carbon nanotubes. Science, 2002, 297(5581): 593–596

[18] Chen R J, Zhang  Y, Wang D , . Noncovalent sidewall functionalization of single-walled carbon nanotubes for protein immobilization. Journal of the American Chemical Society, 2001, 123(16): 3838–3839

[19] O’Connell M J ,  Boul P, Ericson  L M, . Reversible water-solubilization of single-walled carbon nanotubes by polymer wrapping. Chemical Physics Letters, 2001, 342(3–4): 265–271

[20] Star A, Stoddart  J F, Steuerman  D, . Preparation and properties of polymer-wrapped single-walled carbon nanotubes. Angewandte Chemie International Edition, 2001, 40(9): 1721–1725

[21] Boul P J, Liu  J, Mickelson E T , . Reversible sidewall functionalization of buckytubes. Chemical Physics Letters, 1999, 310(3–4): 367–372

[22] Chen J, Rao  A M, Lyuksyutov  S, . Dissolution of full-length single-walled carbon nanotubes. The Journal of Physical Che-mistry B, 2001, 105(13): 2525–2528

[23] Furtado C A, Kim  U J, Gutierrez  H R, . Debundling and dissolution of single-walled carbon nanotubes in amide solvents. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(19): 6095–6105

[24] Ausman K D, Piner  R, Lourie O , . Organic solvent dispersions of single-walled carbon nanotubes: Toward solutions of pristine nanotubes. The Journal of Physical Chemistry B, 2000, 104(38): 8911–8915

[25] Sun Y, Wilson  S R, Schuster  D I. High dissolution and strong light emission of carbon nanotubes in aromatic amine solvents. Journal of the American Chemical Society, 2001, 123(22): 5348–5349

[26] He B, Tang  Q, Liang T , . Efficient dye-sensitized solar cells from polyaniline–single wall carbon nanotube complex counter electrodes. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(9): 3119–3126

[27] Allemand P M, Koch  A, Wudl F , . Two different fullerenes have the same cyclic voltammetry. Journal of the American Chemical Society, 1991, 113(3): 1050–1051

[28] Sension R J, Szarka  A Z, Smith  G R, . Ultrafast photoinduced electron transfer to C₆₀. Chemical Physics Letters, 1991, 185(3–4): 179–183

[29] Wang Y. Photophysical properties of fullerenes and fullerene/N,N-Diethylaniline charge-transfer complexes. The Journal of Physical Chemistry, 1992, 96(2): 764–767

[30] Rao A M, Eklund  P C, Bandow  S, . Evidence for charge transfer in doped carbon nanotube bundles from Raman scattering. Nature, 1997, 388(6639): 257–259

[31] Itkis M E, Perea  D E, Niyogi  S, . Purity evaluation of as-prepared single-walled carbon nanotube soot by use of solution-phase near-IR spectroscopy. Nano Letters, 2003, 3(3): 309–314

[32] Sen R, Rickard  S M, Itkis  M E, . Controlled purification of single-walled carbon nanotube films by use of selective oxidation and near-IR spectroscopy. Chemistry of Materials, 2003, 15(22): 4273–4279

[33] Helttunen K, Galán  A, Ballester P , . Solid lipid nanoparticles from amphiphilic calixpyrroles. Journal of Colloid and Interface Science, 2016, 464: 59–65

[34] Kasuya A, Sasaki  Y, Saito Y , . Evidence for size-dependent discrete dispersions in single-wall nanotubes. Physical Review Letters, 1997, 78(23): 4434–4437

[35] Chen G, Bandow  S, Margine E R , . Chemically doped double-walled carbon nanotubes: cylindrical molecular capacitors. Physical Review Letters, 2003, 90(25): 257403

[36] Duesberg G S, Loa  I, Burghard M , . Polarized raman spectroscopy on isolated single-wall carbon nanotubes. Physical Review Letters, 2000, 85(25): 5436–5439

[37] Kataura H, Kumazawa  Y, Maniwa Y , . Diameter control of single-walled carbon nanotubes. Carbon, 2000, 38(11–12): 1691–1697

[38] Ma J, Wang  N J. Purification of single-walled carbon nanotubes by a highly efficient and nondestructive approach. Chemistry of Materials, 2008, 20(9): 2895–2902

[39] Sheng L, Shi  L, An K , . Effective and efficient purification of single-wall carbon nanotubes based on hydrogen treatment. Chemical Physics Letters, 2011, 502(1–3): 101–106

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg