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本文2189字，阅读约需7分钟

摘要：不使用强酸和表面活性剂，通过利用二氧化氯的新型表面氧化法，在常温条件下，成功使碳纳米管（CNT）稳定分散在水中，可以保持一周以上不沉淀的稳定水分散；同时，该材料仍保持较高的导电性，其电气特性与经过表面活性剂处理的CNT相当。

关键词：CNT、二氧化氯、表面氧化、稳定水分散、化学修饰

要点

不使用强酸和表面活性剂，在常温条件下，成功使碳纳米管（CNT）稳定分散在水中。
由于CNT难溶于水且容易发生凝聚，因此以往在实际使用中需要借助表面活性剂或强酸进行处理，导致导电性下降及材料劣化的问题；此次研究在保持CNT结构的同时仅氧化其表面，最大限度地抑制了导电性的降低，并且无需表面活性剂，可稳定分散在水溶液中，超过一周不发生沉淀。
有望实现兼具广泛应用领域（如医药、能源领域）和环保性与实用性的新一代纳米材料工艺。

概要

研究团队开发出一种利用二氧化氯的新型表面氧化法，成功实现了碳纳米管（CNT）在水中的稳定分散（图1）。

图1 仅需搅拌即可使碳纳米管分散在水中

CNT 是一种兼具极高导电性和机械强度的一维纳米材料，在电子器件、医疗及生物领域的广泛应用受到期待。然而，由于其难溶于水且容易发生凝聚，在实际使用中，通常需要借助表面活性剂或强酸进行处理，但这些方法会导致导电性下降和材料劣化。

本研究通过在常温条件下利用二氧化氯，选择性地在CNT表面导入羟基、羰基和羧基等极性官能团，实现了无需表面活性剂、可以保持一周以上不沉淀的稳定水分散；同时，该材料仍保持较高的导电性，其电气特性与经过表面活性剂处理的CNT相当。

本研究成果作为一种通过水系工艺实现CNT材料开发的环保型技术，有望在科学技术领域和产业界等广泛领域实现应用。

【研究员评论】

“此前的研究已表明，二氧化氯具有很高的氧化反应能力。此次的重大发现是，仅通过“在室温下混合”这一极其简单的操作，就能使化学性质稳定的碳纳米管被氧化。”

研究背景

CNT作为一种兼具极高导电性和机械强度的一维纳米材料，在新一代电子器件、能源转换与储存材料以及医疗与生物领域中的应用受到期待，特别是其轻质且高性能的特性，有望实现传统材料难以达成的功能集成和高效化。然而，由于CNT仅由碳元素构成且表面呈疏水性，在水中容易因强范德华力而发生凝聚和束状化。这种凝聚行为不仅阻碍了CNT本身优异的电气和机械性能的发挥，也严重限制了其在墨水化、涂层及成型等加工过程中的应用。

此前，为使CNT分散在水中，人们广泛采用的方法是使用表面活性剂的物理分散法，或使用硝酸、硫酸等强酸的化学氧化处理法。但是表面活性剂容易残留在CNT表面，导致导电性和界面特性下降；而强酸氧化处理虽然能提高分散性，却可能引起CNT结构损坏和短尺化，带来材料性能劣化和环境负担加重等课题。

此前，研究团队致力于开发采用二氧化氯的独立氧化反应。二氧化氯是一种兼具强氧化性和高反应选择性的自由基性氧化剂，在适当条件下可实现对碳-氢键的选择性氧化，并且不会引起过度的分解或燃烧。目前，该团队已成功在温和条件下对广泛的底物实现了氧化反应，包括从甲烷等低分子有机化合物到以聚丙烯为首的高分子有机化合物。通过这些研究，证实了二氧化氯这一氧化剂能够在保持底物骨架结构的同时，仅对其表面或特定反应位点进行调控。这一特性对于那些易受结构劣化或过氧化影响的材料体系而言尤为有效。基于此，研究团队设想，将二氧化氯的独特反应性应用于CNT，是否能在保持其管状结构和电子特性的前提下赋予水分散性，并开始了研究。

研究内容

本研究仅将CNT加入二氧化氯水溶液中并进行搅拌，即可温和地氧化CNT表面并使其在水中稳定分散。经过二氧化氯处理后，在CNT表面导入了羟基、羧基等极性官能团，其结果是无需使用表面活性剂，也能实现超过一周不发生沉淀的稳定水分散（图2）。

图2 将碳纳米管放入二氧化氯溶液中，在室温下搅拌。随着时间的推移，碳纳米管逐渐分散开来，最终形成如墨汁般漆黑的溶液。

经二氧化氯处理的CNT抑制了因过度氧化造成的损伤，通过电子显微镜观察确认其管状结构保持良好（图3）。这种结构保持对于维持CNT原有的电子特性至关重要。

利用实际获得的分散CNT制成薄膜，对其电阻进行测评，结果显示，其电气特性与使用胆酸钠等表面活性剂处理的CNT相比也毫不逊色。这表明本方法能够在高水平上同时兼顾分散性和导电性。

此外，引入到CNT表面的醇基和羧酸基可用作有机合成化学的反应位点，从而能够与各种功能性分子结合进行化学修饰。因此，该方法的应用不仅限于分散技术，还可作为赋予CNT新功能的基础技术而得到进一步发展。

图3 氧化处理后的透射型电子显微镜图像。反应后仍保持着管状结构。

研究意义

本研究成果是一种通过水系工艺安全且高效处理CNT的基础技术，有望对学术界和产业界产生巨大的影响。尽管CNT作为高性能材料而获得关注，但是其加工性差的问题限制了实用化。本研究提出的方法为这一根本性难题提供了有效的解决方案。

能够在水中稳定分散的CNT，可轻松应用于墨水化、涂层等湿式工艺，从而大幅加速可打印电子器件和柔性设备的开发，有望促进轻量、柔性、资源节约型电子器件的实现。此外，由于无需使用强酸或表面活性剂，该方法有助于简化制造工艺并降低废液处理负担，作为环境负荷低、可持续的材料制备工艺也具有重要意义。

另外，通过本研究获得的CNT可通过在表面引入的官能团进行多种化学修饰，有望拓展至功能性复合材料、能源储存与转换材料、医药及生物材料等广泛领域。本研究为实现在最大限度发挥CNT高性能的同时，兼顾环保性和实用性的新一代纳米材料工艺迈出了重要一步。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20260226_02web_CNT.pdf

https://doi.org/10.1039/D5NR05444C

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将碳纳米管分散在水中，并用二氧化氯对其表面进行温和氧化，以保持高导电性