Raw single-walled carbon nanotubes produced by HiPCO process were purified successfully through repetitive acid treatment to remove amorphous carbon and transition metal catalysts. After purification, SWNTs was cut with acid treatment to disperse in organic solution. Residual metal impurities from purified SWNTs dispersed in ethanol solution and aqueous surfactant solution were removed by magnetic field.
Microwave radiation is a well-known noninvasive and clean processing tool that has been widely used to activate chemical reactions. Raw SWNTs were purified in air by microwave irradiation for 30 min using kitchen microwave oven. As a result, metal impurities were oxidized. Mild washing with acid solution removed oxidized metal impurities on the surface of raw SWNTs. Preferential destruction of metallic SWNTs with small diameters was achieved by microwave irradiation for 60 min due to stress induced by high curvature and abundant electron density. Microwave irradiation over critical time caused SWNTs to be damaged severely and destroyed to be graphite.
HiPCO process로 만들어진 raw SWNTs를 염산으로 정제하여 남아있는 amorphous carbon과 Fe와 같은 금속 촉매들을 제거하였으며 SEM, EDS와 라만으로 결과를 분석하였다. Raw SWNTs의 불순물 비율은 약 20 wt% 인 반면에 염산으로 정제 후 남아있는 철 불순물의 비율은 약 4 wt% 정도로 나타났다. 염산으로 정제하는 과정에서 SWNTs의 표면에 약간의 defect가 생성된 것으로 추측된다. 정제된 SWNTs를 과산화수소와 황산을 1:3으로 혼합한 용매에 넣고 sonication을 통하여 커팅함으로써 유기 용매에 잘 분산되도록 하였다. 커팅 결과 SWNTs의 길이는 약 200 nm에서 1000 nm 정도의 분포를 보였다. 라만 분석 결과 커팅 후 SWNTs의 표면에 많은 defect가 생긴 것으로 밝혀졌다.
이렇게 정제되고 커팅된 SWNTs를 에탄올 용액과 1 wt%의 SDS가 첨가된 DI water에 각각 분산시킨 후, 초강력 자석을 이용하여 효과적으로 남아있는 금속 촉매들을 제거하였다. 이 과정은 단순하고 SWNTs의 표면을 손상시키지 않았으며, SEM과 ICPS의 분석 결과 남아있는 금속 불순물의 양을 약 절반으로 줄일 수 있었다.
HiPCO process로 만들어진 raw SWNTs를 가정용 전자레인지를 사용하여 극초단파를 조사하였다. 약 30분 정도 조사한 결과, carbon coating layer와 금속 불순물들이 극초단파의 조사에 기인한 높은 온도 증가로 인해 제거되었다. 벌크 상태의 raw SWNTs 내부에 있던 금속 불순물들은 극초단파 조사 후 섬광을 발생시키며 산화되어 표면으로 방출되었다. 염산으로 mild washing한 결과 벌크 상태의 raw SWNTs의 표면에 있던 금속 불순물들은 대부분 제거되었다. 라만으로 분석한 결과 극초단파 조사 후 SWNTs의 표면에 거의 defect가 생성되지 않았음이 확인되었다.
극초단파 조사로 인한 SWNTs의 특성 변화를 더 알아보기 위하여, 극초단파를 60분 조사한 결과 반지름이 1nm 이하인 금속성 SWNTs가 선택적으로 제거되었다. 반지름이 작은 SWNTs는 curvature에 기인한 stress로 인해 쉽게 파괴되는 경향이 있음이 알려져 있다. 또한 금속성 SWNTs는 반도체성 SWNTs보다 Fermi level에 전자밀도가 더 풍부하기 때문에 극초단파에 더 잘 반응하고 파괴되기 쉬울 것으로 추측된다. 이와 같은 결과로 인해 반지름이 작은 금속성 SWNTs가 극초단파의 조사에 의해 선택적으로 파괴되었다고 할 수 있다. 극초단파를 80분 정도 조사한 결과 라만그래프에서 SWNTs의 특징인 RBMs이 줄어들었고, $I_G/I_D$ 비율이 크게 줄어들었다. 극초단파를 90분 조사한 결과 라만그래프에서 RBMs이 사라졌으며, $I_G/I_D$ 비율은 더욱 줄어들었다. 이는 극초단파로 인해 SWNTs가 심각하게 손상되고 파괴되어 그래파이트 형태로 되었음을 보여주는 결과이다.
