[发明专利]固体酸作为碳纳米管掺杂剂的应用与掺杂方法

说明书

本发明提供了一种掺杂的碳纳米管薄膜及其制备方法，该掺杂的碳纳米管薄膜由碳纳米管薄膜和掺杂剂制得，采用的掺杂剂固体酸稳定性好，不易挥发，对碳纳米管薄膜的掺杂效果稳定性高，同时可在碳纳米管薄膜透光率基本不下降的情况下，有效提高碳纳米管薄膜的导电性能。本发明所述的制备方法简单，掺杂稳定性好，掺杂后的碳纳米管薄膜于室温下放置多天，其方阻、透光率基本保持不变，可以促进碳纳米管薄膜在柔性光伏器件和柔性显示器中的应用。

技术领域

本发明涉及碳纳米管的掺杂方法，具体涉及无机固体酸作为碳纳米管掺杂剂的用途以及掺杂方法。

背景技术

碳纳米管的独特结构和优异性质使其在显示、能源转化与储存、传感器、光电子学器件等诸多领域均有着重要的应用价值。近年来，随着柔性器件、可穿戴器件的快速发展，器件的柔性化已经成为未来的主要发展趋势。碳纳米管具有优异的柔性、良好的导电性能和透光性能，十分适合应用于柔性器件之中。例如，碳纳米管薄膜有望作为透明电极，应用在柔性显示器件、柔性光伏器件中。因此，高导电性、高透光率的碳纳米管薄膜有着很好的应用前景。

在目前商业化的非柔性光伏器件、显示器件中，最广为使用的透明电极材料是氧化铟锡(ITO)。但是，ITO的柔性很差，无法应用于柔性器件当中。行业公认的替代ITO的透明导电薄膜性能是在透光率不低于90％的条件下，薄膜方阻不超过100 Ω/sq.。目前,直接制备出的碳纳米管薄膜的透光率和导电性尚不足以达到替代ITO的标准，而在对碳纳米管进行掺杂后，碳纳米管薄膜的性能可以达到这一标准。因此，对于碳纳米管掺杂剂的研发就尤为关键了。通过对碳纳米管进行掺杂，可以提高其载流子密度，从而提高导电性能。

但是，掺杂剂可能会吸收或散射可见光，从而降低薄膜的透光性能。此外，掺杂效果的稳定性也是衡量掺杂剂的关键参数之一。硝酸是目前最常用的碳纳米管薄膜掺杂剂，掺杂效果显著。但是由于硝酸易挥发，其掺杂效果的稳定性很差。三氯化金是另一种常用的碳纳米管薄膜掺杂剂，掺杂效果显著。但掺杂后，三氯化金会在薄膜上形成金颗粒，而金颗粒会对可见光产生吸收和散射，降低薄膜的透光性能。此外，三氯化金的热稳定性差，加热后掺杂效果逐渐消失。

因此，开发高效而稳定的碳纳米管掺杂剂，对于碳纳米管薄膜在柔性透明电极中的应用具有重要意义。

发明内容

基于上述技术背景，本发明人进行了锐意进取，结果发现：采用固体酸作为掺杂剂对碳纳米管薄膜进行掺杂，可在保持碳纳米管薄膜透光率的前提下，有效提高碳纳米管薄膜的导电性能，同时掺杂的无机固体酸稳定性好，不易挥发，对碳纳米管薄膜的掺杂稳定性高，掺杂后的碳纳米管薄膜于室温下放置多天，其方阻基本保持不变。

本发明的第一方面在于提供一种掺杂碳纳米管薄膜，该掺杂碳纳米管薄膜由碳纳米管薄膜和掺杂剂制得，所述掺杂剂为固体酸。

本发明的第二方面在于提供本发明第一方面所述掺杂碳纳米管薄膜的制备方法，当固体酸选用多酸团簇、杂多酸团簇、氧化物及其水合物固体酸时，包括以下步骤：

步骤1、将掺杂剂分散于溶剂中制得掺杂剂分散液；

步骤2、将碳纳米管薄膜浸泡于步骤1制得的掺杂剂分散液中，经后处理制得掺杂碳纳米管薄膜。

当固体酸选用表面经磺酸化修饰的载体或基底时，所述方法包括以下步骤：

步骤a、将载体或基底浸没于羟基化试剂中加热进行表面羟基化；

步骤b、对表面羟基化的载体或基底进行磺酸化修饰；

步骤c、将碳纳米管薄膜转移至表面经磺酸化修饰的载体或基底表面，向碳纳米管薄膜表面滴加液体。

本发明的第三方面在于提供一种根据本发明第一方面所述掺杂的碳纳米管薄膜或由本发明第二方面所述的制备方法制得的掺杂的碳纳米管薄膜的用途，其可应用于柔性光伏器件和柔性显示器件中。