[發明專利]一種高比表面積的氮摻雜石墨納米籠的制備方法

在審

• 申請號: 201510494953.2
• 申請日: 2015-08-13
• 公開（公告）號: CN105084352A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 代賢友;盛趙旻;洪成楊;胡明慧;戴溢豐;謝鑫
• 申請（專利權）人: 上海應用技術學院
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;B82Y40/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明屬于材料學領域，涉及一種納米材料，具體來說是一種高比表面積的氮摻雜石墨納米籠的制備方法。

背景技術

隨著納米技術的興起，合成具有一定功能的納米材料成為許多科研工作者的研究重點。近年來，碳納米材料的實際應用價值以及其在應用中的具體表現越來越受到重視。含有摻雜元素（如硼、氮、磷、硫等）的碳納米材料，由于其可形成類似于p型或n型結構，可以有效地吸附電荷或提供活性位點，同時提高材料的導電性，將其應用于相關電子器件材料或催化劑載體具有重要的應用價值。目前研究較多的氮摻雜碳材料包括活性炭、介孔碳、碳納米管、碳納米纖維、石墨烯等，通過對材料表面引入含氮官能團或者直接引入摻雜結構（吡啶氮、吡咯氮等），提升了材料的相關性能。石墨納米籠作為一種較為新型的碳納米材料，由于其具有良好的理化性能，越來越受到研究者的青睞。然而，在傳統的制備過程中，往往需要多步反應過程，使用的原料價格較高且具有一定的毒性，能耗大，同時得到的產品比表面積和石墨化不能兼顧，限制了其進一步發展的空間。因此，開發一種簡單、高效、環保的氮摻雜石墨納米籠具有十分重要的意義。

經對現有技術的文獻檢索發現，YuemingTan等人在《ACSAppliedMaterials&Interfaces》5（2013）2241-2248上發表的“SynthesisofUltrathinNitrogen-DopedGraphiticCarbonNanocagesasAdvancedElectrodeMaterialsforSupercapacitor”（合成超薄石墨碳納米籠先進電極材料用于超級電容器）一文中提到一種超薄石墨碳納米籠的制備方法，即苯胺、硝酸錳與高錳酸鉀混合溶液，首先在180℃下水熱反應4個小時得到前驅體，然后在氬氣保護下700～900^oC進行碳化4個小時，得到一氧化錳/碳復合物（MnOC），再經過硝酸處理得到類似矩形的碳納米籠。該方法得到的石墨碳納米籠的比表面積為1088m²g^-1,孔徑為0.22cm³g^-1。雖然該方法合成出較高比表面積的超薄石墨碳納米籠，但該過程需要兩步合成過程，即水熱合成前驅體與高溫碳化，用時較長，產品的形貌及摻雜含量均較難以控制，且石墨化程度較差。

發明內容

針對現有技術中的上述技術問題，本發明提供了一種高比表面積的氮摻雜石墨納米籠的制備方法，所述的這種高比表面積的氮摻雜石墨納米籠的制備方法解決了現有技術中的制備方法工藝復雜、產品的形貌及摻雜含量難以控制，且石墨化程度較差的技術問題。

本發明提供了一種高比表面積的氮摻雜石墨納米籠的制備方法，包括以下步驟：

（1）一個制備含氮摻雜結構的碳包鐵納米核殼顆粒的步驟，

稱取催化劑、氮源、碳源，所述的催化劑為乙酰丙酮鐵，所述的氮源為對苯二胺或乙腈，催化劑、碳源和氮源的質量比為5~20∶0~90∶5~80，將上述物質混合配得原料溶液；將立式管式爐升溫至500～1200℃，并通入氮氣作為載氣，將原料溶液經電子蠕動泵輸入到立式管式爐上部的噴射器，通過噴射器噴入管式爐高溫區，在管式爐尾部產物收集器中得到含氮摻雜結構的碳包鐵納米核殼顆粒；

（2）將步驟（1）得到的含氮摻雜結構的碳包鐵納米核殼顆粒置于蒸餾水與硝酸混合溶液中，加熱至60～90℃并磁力攪拌，將上述所得混合物過濾、加去離子水沖洗，直至濾液呈中性或接近中性，隨即冷凍干燥，即得高比表面積的空心氮摻雜石墨納米籠，其氮含量在0.8～3wt%，孔徑分部集中在1.8～6nm，比表面積為300～900m²g^-1。

進一步的，所述步驟（1）中所使用的碳源為乙醇。

進一步的，所述步驟（1）中氮氣的流速為40～160升/小時。

進一步的，所述步驟（1）中原料溶液經電子蠕動泵輸入到立式管式爐上部的噴射器噴入管式爐高溫區，電子蠕動泵控制原料溶液流速為10～120毫升/小時。

進一步的，所述步驟（2）中蒸餾水與濃硝酸混合溶液比例為V_水/V_酸＝1∶10～4∶1。

進一步的，所述步驟（2）中磁力攪拌時間為2～6小時。

進一步的，所述的濃硝酸的質量百分比濃度為65~98%。