改性碳纳米管的XPS测定与分析

赛默飞材料与结构分析中国

2018.9.07

作者赛默飞

TA的动态

碳纳米管以其独特的结构和优异的性能，在纳米、生物、能源、催化、电子材料等领域有很大的应用潜力。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来；目前碳纳米管的合成和应用已经成为材料科学研究的前沿热点。然而，由于其分散性以及与基体材料的相容性问题制约着碳纳米管材料的发展；为解决这两个问题，很多科研工作者致力于碳纳米管表面改性的研究，以提升其分散性和相容性。XPS作为一种表面分析技术，由于其表面敏感性，这就使XPS成为碳纳米管研究过程中一种必不可少的研究手段。

本文通过ESCALAB Xi⁺对改性前后的碳纳米管进行检测分析，探索不同改性工艺获得的改性碳纳米管的结构与组成信息，文章中将详细介绍如何利用XPS准确的获得材料表面组成和化学态信息。

对三个碳纳米管粉末样品进行检测，分别为改性前的碳纳米管（1#样品）、经酸化处理的碳纳米管（2#样品）以及烷基化的碳纳米管（3#样品）。需要通过XPS了解不同改性工艺得到的样品表面组成和化学态的具体变化行为。

选择ESCALAB Xi⁺光电子能谱仪进行测试，仪器外观见图1。为消除样品荷电效应开启标准模式的中和枪。测试时使用单色化X射线源，500微米束斑。

4.1 1#样品表面元素含量分析

对样品代表性点进行数据采集，发现样品表面含有98%的C元素及不到2%的O元素，其中C元素主要是以sp²杂化碳的化学态形式存在，而O元素主要表现出C-O以及C=O的化学态形式（如图2所示）

1#样品表面各化学态对应元素相对原子百分含量如表1所示。

4.2 2#样品表面元素含量分析

对样品代表性点进行数据采集，发现样品表面除了C元素以外还含有大量的O元素，以及微量的S、N、Na、Si、Cl元素。为了对2#样品C元素进行更加准确的化学态表征，采用1#样品碳元素作参考，进而判断出2#样品除了sp²杂化碳外还含有C-C、C-O以及C=O化学态的碳（如图3所示）。

采用Avantage软件独有的NLLSF功能，对C元素进行数据拟合处理，获得C元素分峰结果如图4所示。由于sp²杂化碳的C1s谱峰是不对称结构，很难采用常规函数将其峰形描述出来，因此采用常规方法进行拟合会引入峰形的函数描述误差；而采用NLLSF拟合直接将改性前的1#碳纳米管样品的C1s谱峰作为参考谱峰带入2#样品的C1s谱图中进行分峰拟合，消除了对该批次碳纳米管sp²峰形描述的误差，从而得到更加准确的定量结果。由图4可以看出经过酸化处理后的碳纳米管表面增加了C=O、C-O等亲水基团。

此外对O元素以及其他元素进行数据进行数据处理，最终得到2#样品的定量结果与1#样品进行对比，如表2所示。

由表格中1#、2#样品各元素相对含量对比，可看出经酸化处理的2#碳纳米管样品中C-O、C=O等亲水基团的含量明显升高。

4.3 3#样品表面元素含量分析

对样品代表性点进行数据采集，发现样品表面除了C元素及少量的O元素外，以及微量的Na、Si、Cl元素。为了对3#样品C元素进行更加准确的化学态表征，采用1#样品碳元素作参考，进而判断出3#样品除了sp²杂化碳外还含有C-C化学态形式的碳（如图5所示所示）。

同2#样品一样，3#样品也采用Avantage软件中独有NLLSF功能进行数据拟合，直接将1#样品改性前碳纳米管的C1s谱峰作为参考谱峰带入3#样品的C1s谱图中进行分峰拟合，消除了对该批次碳纳米管sp²峰形描述的误差，从而得到更加准确的定量结果。由图6可以看出经过烷基化处理后的碳纳米管表面增加了烃基等疏水基团。