[發明專利]氮摻雜多壁碳納米管的制備方法

無效

• 申請號: 201310376325.5
• 申請日: 2013-08-26
• 公開（公告）號: CN103449403A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 王永霞;崔香枝;施劍林;陳立松
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及一種氮摻雜多壁碳納米管及其制備方法，屬于無機納米材料制備和合成領域。

背景技術

碳材料以其優異的性能而成為材料領域的研究熱點之一，國內外材料科學工作者圍繞新型納米碳材料的可控制備及其應用開展了大量的研究工作。自從Iijima于1991年發現了碳納米管之后，研究人員對碳納米管的優化生長開展了大量的研究工作，以獲得具有優異電學、光學、化學、熱力學及機械性能的材料。碳納米管作為一種一維有序的納米碳質結構和功能材料，具有高機械強度和彈性，高比表面積，強吸附性能，優良的光學特性，極好的導熱和導電性能，可在吸附、儲能、儲氣、納米器件、催化劑載體、高性能結構和功能復合材料等方面具有潛在的和廣泛的應用前景，是目前應用最為廣泛的一種新型材料。

近年來，為制備結構、形貌可控的單壁及多壁碳納米管，研究人員進行了大量的研究工作。目前，碳納米管的制備方法主要有電弧放電法、激光蒸發法、碳氫化合物催化分解法及化學氣相沉積等方法。例如中國專利CN101244815B公開一種采用化學氣相沉積法，以液相有機前驅物為碳源和氮源制備氮摻雜碳納米管的方法；中國專利CN1994875A公開一種在H₂O等離子體氣氛中在催化劑金屬層上由碳源和氮源形成氮摻雜碳納米管的方法。這些方法都是通過外加能量，將碳源離解成原子或離子形式，經再凝聚過程得到一維碳納米結構。雖然現在人們對碳納米管的制備研究較多，但碳納米管的制備方法和制備工藝中仍存在許多問題有待解決，例如過程繁瑣復雜、產率低，同時對碳納米管的生長機理尚未達成共識。另外，研究人員對多元摻雜碳納米管的制備大都通過多步制備工藝，這些方法不但過程冗長，而且元素的均勻分散性較差，大大影響了材料的性能。這些問題都制約著碳納米管的深入研究和廣泛應用。如何實現碳納米管的簡易制備，并獲得多元摻雜的可控碳納米管具有重要意義。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種簡單的一步法制備氮摻雜多壁碳納米管的工藝方法。

在此，一方面，本發明提供一種氮摻雜多壁碳納米管的制備方法，所述制備方法包括：將具有三維立方孔道結構且未除表面活性劑的介孔二氧化硅模板與同時作為碳源、氮源和鐵源的含氮大環鐵配合物通過物理機械方式混合均勻以制得混合物；將所述混合物進行熱處理以制得鐵氧化物/N/碳納米管/二氧化硅模板復合材料；用強堿去除所復合材料中的二氧化硅模板；以及用強酸去除所復合材料中的鐵氧化物以制得所述氮摻雜多壁碳納米管。

本發明的方法是一種簡便的一步物理混合法，采用未除表面活性劑的具有Ia3d結構的介孔二氧化硅（KIT-6）為模板，該模板易于制備，且KIT-6具有三維連通的孔道結構和良好的熱穩定性，適用于制備需高溫成形的結晶復合氧化物。又，二氧化硅介孔孔道中的表面活性劑在熱處理過程中分解，作為碳納米管生長的晶種，為碳納米管的生長成核、生長提供源動力。而且，本發明有效避免了氮摻雜多壁碳納米管制備過程中的繁瑣步驟，簡便快捷，省時省力。

在本發明中，較佳地，所述含氮大環鐵配合物可以是鐵酞菁和/或鐵卟啉。本發明以單一前驅體即含氮大環鐵配合物同時作為碳源、氮源和鐵源，可實現碳與氮的同時均勻復合，制備氮摻雜多壁碳納米管，避免了兩次甚至多次復合，并避免了多種前驅體復合過程中產生的副產物。而且，以所述含氮大環鐵配合物分解產生的Fe納米粒子作為碳納米管形成和生長催化劑，避免了催化劑材料的額外加入，同時省略了催化劑材料在基體材料上的預沉積，簡化實驗過程，省時省力。

較佳地，所述含氮大環鐵配合物與所述模板的質量比可以為1：（1～5）。

較佳地，所述熱處理可以是在800～1000℃于惰性氣氛中反應10～24小時。

較佳地，所述強堿可以為1～3M?NaOH水溶液。

較佳地，所述強酸可以為2～4M?HNO₃。

另一方面，本發明還提供一種通過上述制備方法制備的氮摻雜多壁碳納米管，所述氮摻雜多壁碳納米管的比表面積為300～600m²/g，孔徑為10～15nm，孔容為0.3～0.8cm³/g。

本發明的氮摻雜多壁碳納米管具有良好的結構和形貌，比表面積高，且氮元素均勻分散于碳納米管中。

附圖說明

圖1是根據本發明一實施形態的FeO_x/N@碳納米管復合材料的廣角XRD衍射花樣；

圖2A是根據本發明一實施形態的FeO_x/N@碳納米管復合材料的TEM照片；