氮摻雜碳納米管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氮摻雜碳納米管及其制備方法，該方法包括以下步驟：將碳納米管置于反應(yīng)器中等離子體下1~2小時(shí)，得到改性的碳納米管；將所述改性的碳納米管與摻氮?jiǎng)┗旌?，充分?jǐn)嚢韬蟾稍?，向反?yīng)器中通入惰性氣體，使反應(yīng)器中形成惰性氣氛后升溫至800~900℃，保持0.5~1h反應(yīng)后降至室溫；對(duì)所得的固體產(chǎn)物進(jìn)行清洗并干燥，得到所述氮摻雜碳納米管。本發(fā)明的氮摻雜碳納米管及其制備方法中，經(jīng)等離子體處理的碳納米管缺陷較多，在進(jìn)行氮摻雜時(shí)氮含量較高。而且本發(fā)明的制備方法成本低，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】氮摻雜碳納米管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化學(xué)材料合成領(lǐng)域，尤其涉及一種氮摻雜碳納米管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀(jì)九十年代，碳材料作為儲(chǔ)能材料的使用推動(dòng)了超級(jí)電容器、鋰離子電池的大力發(fā)展。而碳納米管作為一種一維的碳材料，具有非常高的電導(dǎo)率，而且碳納米管非常容易衍生化，所以其衍生物也受到研究者的廣泛關(guān)注.[0003]碳納米管衍生物主要有氮摻雜碳納米管和硼摻雜碳納米管。其中，氮摻雜碳納米管中的氮原子比碳原子外層多一個(gè)電子，呈N-型摻雜，相比不進(jìn)行摻雜的碳納米管具有更好的儲(chǔ)能性能，且氮摻雜碳納米管的氮含量越高，儲(chǔ)能位點(diǎn)越多，其儲(chǔ)能性能也就越好。
[0004]目前，容易實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模工業(yè)化制備氮摻雜碳納米管的方法為高溫?zé)釗诫s法，但這種方法目前最大的問題是所制備的氮摻雜碳納米管氮含量較低。從氮摻雜的機(jī)制可知，氮摻雜優(yōu)先在無序處進(jìn)行。因此，增加碳納米管上的無序結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)氮摻雜有很大幫助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，提供一種氮摻雜碳納米管及其制備方法，經(jīng)等離子體處理的碳納米管缺陷較多，在進(jìn)行氮摻雜反應(yīng)時(shí)可達(dá)到較高的氮含量。
[0006]本發(fā)明針對(duì)上述 技術(shù)問題而提出的技術(shù)方案為:一種氮摻雜碳納米管的制備方法，包括如下步驟:
[0007]將碳納米管置于反應(yīng)器中等離子體下I~2小時(shí)，得到改性的碳納米管；
[0008]將所述改性的碳納米管與摻氮?jiǎng)┗旌?，充分?jǐn)嚢韬蟾稍?，向反?yīng)器中通入惰性氣體，使反應(yīng)器中形成惰性氣氛后升溫至800~900° C，保持0.5~Ih反應(yīng)后降至室溫；
[0009]對(duì)所得的固體產(chǎn)物進(jìn)行清洗并干燥，得到所述氮摻雜碳納米管。
[0010]所述碳納米管的純度為99%。
[0011]所述氦氣等離子體的發(fā)出功率為100~300W。
[0012]所述等離子體為氬氣等離子體或氦氣等離子體。
[0013]所述摻氮?jiǎng)榘彼蚰蛩?，所述改性的碳納米管與摻氮?jiǎng)┑馁|(zhì)量比為1:1~1:5。
[0014]所述攪拌的時(shí)間為2小時(shí)，所述攪拌后干燥的溫度為80°C、干燥的時(shí)間為6h。
[0015]所述惰性氣體為氬氣、氮?dú)饣蚝?所述惰性氣體通入時(shí)的流速為400ml/min。
[0016]所述升溫的速率為5~20°C /min。
[0017]對(duì)所述固體產(chǎn)物清洗并干燥的操作如下:將所述固體產(chǎn)物加入濃度為10%的鹽酸溶液中攪拌4小時(shí)后過濾，再用去離子水洗滌干凈，然后置于60° C真空烘箱中干燥12h。
[0018]本發(fā)明還包括利用上述制備方法制得的氮摻雜碳納米管。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的氮摻雜碳納米管及其制備方法，存在以下的優(yōu)點(diǎn):
[0020]1.經(jīng)等離子體處理的碳納米管缺陷較多，在進(jìn)行氮摻雜時(shí)氮含量較高。[0021 ] 2.本發(fā)明的制備方法成本低，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0022]3.與其他制備方法相比，本發(fā)明所用設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，便于操作。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步地詳盡闡述。
[0024]本發(fā)明的氮摻雜碳納米管的制備工藝流程大致如下:碳納米管一改性碳納米管一氮摻雜碳納米管。
[0025]具體地，本發(fā)明的氮摻雜碳納米管的制備過程分為以下步驟:
[0026](1)改性碳納米管:將純度為99%的碳納米管置于發(fā)出功率為100~300W的等離子體下，反應(yīng)I~2小時(shí)得到改性的碳納米管；
[0027]其中，等離子體為氫氣等離子、氬氣等離子體或氦氣等離子體。
[0028](2)制備氮摻雜碳納米管:將改性的碳納米管加入到溶有尿素的無水乙醇溶液的反應(yīng)器中(改性的碳納米管與摻氮?jiǎng)┑馁|(zhì)量比為1:1~1:5)，充分?jǐn)嚢?小時(shí)后在80°〇下干燥6h，置于流速為400ml/min的惰性氣體氣氛中后升溫(升溫速率為5~20°C /min)至800~900° C，保持0.5~Ih后降至室溫；對(duì)反應(yīng)器的選擇不進(jìn)行限定，優(yōu)選為試管；
[0029]用濃度為10%的鹽酸洗去所得固體產(chǎn)物中的雜質(zhì)并過濾，用去離子水清洗所述固體產(chǎn)物，在60° C下的真空烘箱中干燥12小時(shí)，得到氮摻雜碳納米管。
[0030]其中，摻氮?jiǎng)榘彼蚰蛩亍?br> [0031]經(jīng)步驟(1)的處理后(將碳納米管經(jīng)等離子體處理)，碳納米管會(huì)產(chǎn)生較多缺陷，在后續(xù)進(jìn)行氮摻雜反應(yīng)時(shí)，可提高碳納米管的氮含量。摻氮?jiǎng)┠蛩乜蔀榉磻?yīng)提供氮源，經(jīng)改性的碳納米管與氮源在高溫下反應(yīng)，可更好的提高氮摻雜碳納米管的氮含量，從而增加氮摻雜碳納米管的儲(chǔ)能位點(diǎn)，大大提高其儲(chǔ)能性能。
[0032]以下再以實(shí)施例1~4對(duì)本發(fā)明的氮摻雜碳納米管的制備方法進(jìn)行具體說明。
[0033]實(shí)施例1
[0034](I)改性碳納米管:將純度為99%的碳納米管置于氦氣等離子體下，功率調(diào)為100W，處理2小時(shí)，得到改性后的碳納米管；
[0035](2)制備氮摻雜碳納米管:將改性的碳納米管加入溶有氨水的無水乙醇溶液的試管中(碳納米管與尿素的質(zhì)量比為1:2)，攪拌2小時(shí)，置于80°C下干燥6小時(shí)，再置于流速為400ml/min的氬氣，形成氬氣氣氛，以20° C/min升溫速率升溫至800° C，并保持I小時(shí)，在流速為400ml/min的氬氣氣氛下降至室溫，將所得的固體產(chǎn)物加入濃度為10%的HCl溶液中，攪拌4小時(shí)，過濾后用去離子水洗滌，將固體產(chǎn)物置于60° C真空烘箱中干燥12小時(shí)后，得到氮摻雜碳納米管。
[0036]實(shí)施例2
[0037](1)改性碳納米管:將純度為99%的碳納米管置于氬氣等離子體下，功率調(diào)為150W，處理1小時(shí)，得到改性后的碳納米管；
[0038](2)制備氮摻雜碳納米管:將改性的碳納米管加入溶有尿素的無水乙醇溶液中(碳納米管與尿素的質(zhì)量比為1:3)，攪拌2小時(shí)，置于80°C下干燥6小時(shí)，再置于流速為400ml/min的氮?dú)?，形成氮?dú)鈿夥眨?0° C/min升溫速率升溫至850° C，并保持0.5小時(shí)，在流速為400ml/min的氮?dú)鈿夥障陆抵潦覝兀瑢⑺玫墓腆w產(chǎn)物加入濃度為10%的HCl溶液中，攪拌4小時(shí)，過濾后用去離子水洗滌，將固體產(chǎn)物置于60° C真空烘箱中干燥12小時(shí)后，得到氮摻雜碳納米管。
[0039]實(shí)施例3
[0040](I)改性碳納米管:將純度為99%的碳納米管置于氦氣等離子體下，功率調(diào)為200W，處理2小時(shí)，得到改性后的碳納米管；
[0041](2)制備氮摻雜碳納米管:將改性的碳納米管加入溶有尿素的無水乙醇溶液的試管中(碳納米管與尿素的質(zhì)量比為1:5)，攪拌2小時(shí)，置于80°C下干燥6小時(shí)，再置于流速為400ml/min的氦氣，形成氦氣氣氛，以5° C/min升溫速率升溫至800° C，并保持0.5小時(shí)，在流速為400ml/min的氦氣氣氛下降至室溫，將所得的固體產(chǎn)物加入濃度為10%的HCl溶液中，攪拌4小時(shí)，過濾后用去離子水洗滌，將固體產(chǎn)物置于60° C真空烘箱中干燥12小時(shí)后，得到氮摻雜碳納米管。
[0042]實(shí)施例4
[0043](I)改性碳納米管:將純度為99%的碳納米管置于氬氣等離子體下，功率調(diào)為300W，處理1.5小時(shí)，得到改性后的碳納米管；
[0044](2)制備氮摻雜碳納米管:將改性的碳納米管加入溶有氨水的無水乙醇溶液中(碳納米管與尿素的質(zhì)量比為1:1)，攪拌2小時(shí)，置于80°C下干燥6小時(shí)，再置于流速為400ml/min的氬氣，形成氬氣 氣氛，以15° C/min升溫速率升溫至900° C，并保持I小時(shí)，在流速為400ml/min的氬氣氣氛下降至室溫，將所得的固體產(chǎn)物加入濃度為10%的HCl溶液中，攪拌4小時(shí)，過濾后用去離子水洗滌，將固體產(chǎn)物置于60° C真空烘箱中干燥12小時(shí)后，得到氮摻雜碳納米管。
[0045]對(duì)以上實(shí)施例1至4中制得的氮摻雜碳納米管進(jìn)行元素成分分析，得出下表1中各主要元素含量的百分比組成數(shù)據(jù)。
[0046]表1
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 將碳納米管置于反應(yīng)器中等離子體下廣2小時(shí)，得到改性的碳納米管； 將所述改性的碳納米管與摻氮?jiǎng)┗旌希浞謹(jǐn)嚢韬蟾稍?，向反?yīng)器中通入惰性氣體，使反應(yīng)器中形成惰性氣氛后升溫至800~900° C，保持0.5~Ih反應(yīng)后降至室溫； 對(duì)所得的固體產(chǎn)物進(jìn)行清洗并干燥，得到所述氮摻雜碳納米管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述碳納米管的純度為99%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氦氣等離子體的發(fā)出功率為100~300W。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備方法，其特征在于，所述等離子體為氬氣等離子體或氦氣等離子體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述摻氮?jiǎng)榘彼蚰蛩?，所述改性的碳納米管與摻氮?jiǎng)┑馁|(zhì)量比為1:廣1:5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述攪拌的時(shí)間為2小時(shí)，所述攪拌后干燥的溫度為80°C、干燥的時(shí)間為6h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述惰性氣體為氬氣、氮?dú)饣蚝猓龆栊詺怏w通入時(shí)的流速為400ml/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述升溫的速率為5~20°C/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，對(duì)所述固體產(chǎn)物清洗并干燥的操作如下:將所述固體產(chǎn)物加入濃度為10%的鹽酸溶液中攪拌4小時(shí)后過濾，再用去離子水洗滌干凈，然后置于60° C真空烘箱中干燥12h。
10.一種權(quán)利要求1至9任一所述的制備方法制得的氮摻雜碳納米管。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK104030265SQ201310068923
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月4日
【發(fā)明者】周明杰, 鐘輝, 王要兵, 袁新生 申請(qǐng)人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司