Synthesis of nanocomposites from polyaniline, polypyrrole and carbon nanotubes, and unzipping of multi-walled carbon nanotubes for the obtention of new graphitic nanomaterials

Abstract

"La síntesis de compositos a partir de nanotubos de carbono ha tenido como principal reto el lograr una buena dispersión de los primeros en la matriz polimérica y para ello se han utilizado diversos métodos de funcionalización. Así mismo, se busca obtener una buena interacción entre ambos componentes y que el composito resultante se beneficie de las propiedades presentes en los materiales de partida. En este contexto, en la presente tesis presentamos los principales resultados concernientes a la síntesis de compositos a partir de nanotubos de carbono multicapa (MWNTs), MWNTs dopados con nitrógeno (CNx) y de polímeros conductores electrónicos, específicamente de polianilina (PAni), polianilina sulfonada (SPAni) y polipirrol (PPy). Dicho estudio surge a partir de nuestro interés en combinar las propiedades únicas de cada componente y así obtener nuevos materiales con propiedades electrónicas y mecánicas mejoradas. Por primera vez en el ámbito científico, sintetizamos estos compositos mediante la polimerización in situ de los monómeros correspondientes mediante un método de alquilación reductiva en amoníaco líquido, al cual se denomina sales de nanotubos, y que ha sido ampliamente utilizado para la funcionalización de fulerenos, nanotubos de una (SWNTs) y de varias capas (MWNTs). En este método se disuelve litio metálico en amoníaco líquido, al que se agregan los nanotubos de carbono formando entonces una sal de nanotubos. Durante la síntesis de compositos encontramos que, ocasionalmente, tanto MWNTs como CNx se exfoliaban en los extremos o en segmentos. Decidimos entonces seguir esta línea de investigación, logrando exitosamente la obtención de nanocintas de carbono a partir de MWNTs. Encontramos que los MWNTs pueden ser abiertos longitudinalmente mediante la intercalación de litio y amoníaco, seguida por exfoliación. Los mejores resultados se obtuvieron mediante intercalación en tubos cortados y abiertos en los extremos y exfoliación con tratamiento ácido y calentamiento abrupto. El material resultante consistió en: (i) estructuras grafíticas de multicapa (nanocintas), (ii) MWNTs parcialmente abiertos y (iii) hojuelas de grafeno. A los nanotubos completamente abiertos les llamamos ex-MWNTs, los cuales se caracterizan por su gran cantidad de bordes, lo cual los hace candidatos muy atractivos para muchas aplicaciones, tales como: elaboración de nanocompositos, adsorción de gases, baterías recargables, capacitores, etc."

"The synthesis of composites from carbon nanotubes has its most notable challenge in the good dispersion of carbon nanotubes within the polymer matrix. Moreover, a good interaction is also desired between both components and a synergic effect in the composite as well, resulting from the properties of each component. On this respect, in this thesis we present the main results concerning the synthesis of composites from multi-walled carbon nanotubes (MWNTs), nitrogen-doped MWNTs (CNx), and electronic conducting polymers, specifically from polyaniline (PAni), sulfonated polyaniline (SPAni), and polypyrrole (PPy). This study was motivated by our interest too combine the unique properties of each component and the obtention of composites with improved electronic and mechanical properties. For first time in science, we synthesized these composites by in situ polymerization of the corresponding monomers by means of a reductive alkylation method in liquid ammonia which is called nanotube salts. This method has been widely used for functionalization of fullerenes, single- (SWNTs), and multi-walled carbon nanotubes (MWNTs). In this method, metallic lithium is dissolved in liquid ammonia, to which carbon nanotubes are added, thus forming nanotube salts. During the synthesis of these composites we occasionally observed that both MWNTs ans CNx were opened at the tips or in segments. We thus decided to follow this research line, successfully obtaining carbon nanoribbons from MWNTs. We found that these MWNTs can be opened longitudinally by intercalation of lithium and ammonia followed by exfoliation. Intercalation of open-ended tubes and exfoliation eith acid treatment and abrupt heating provided tjhe best results. The resulting material consists of: (i) multilayered flat graphitic structures (nanoribbons), (ii) partially open MWNTs, and (iii) graphene flakes. We called the completely unwrapped nanotubes ex-MWNTs, which are characterized by a large number of edges that make them very attractive for many applications such as: composites, gas adsorption, rechargeable batteries, capacitors, etc. Characterization of their morphology, vibrational, and structure properties allowed us to propose an exfoliation mechanism for MWNTs."