[發明專利]一種制備高氮含量、摻氮種類可調的氮摻雜碳納米纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201711369938.0
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108221088B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 孫巍;吳廣明;高國華;張坤;姬秀潔;劉銀丹
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12;C01B32/15
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

本發明涉及一種制備高氮含量、摻氮種類可調的氮摻雜碳納米纖維的制備方法，將碳納米纖維在去離子水中均勻分散后，加入吡咯單體經過超聲分散后得到暗黃色懸濁液；然后將過硫酸銨水溶液滴加到暗黃色懸濁液中，將混合溶液冷卻到10℃以下，在磁力攪拌的條件下低溫反應后，過濾、洗滌所得產物；最后在保護氣氛下焙燒，得到氮摻雜碳納米纖維。本發明利用濕法氧化聚合法得到氮源原位包覆的碳納米纖維，并通過選擇不同的高溫熱處理溫度，實現了氮摻雜碳材料的氮含量、摻氮種類與孔結構的有效控制。本發明具有操作程序簡單、制備成本低、且適合工業化生產等特點，所得到的材料氮摻雜含量高（~10%），比表面積高（~300 m²/g）和摻氮種類可調，是一種極具潛力的制備方法。

技術領域

本發明屬于雜原子摻雜碳納米材料制備領域，具體涉及一種高氮含量、摻氮種類可調的氮摻雜碳納米纖維的制備方法。

背景技術

碳納米纖維是指具有納米尺度的碳纖維，作為一種新型碳材料，具有高比表面積、力學性能優異和導電性良好等優點，使其在航天航空、建筑材料、吸附儲能、電化學等方面具有廣泛的應用價值。為了進一步改善碳納米纖維材料在這些方面的應用，將雜原子（例如N、B、S等）摻雜到碳材料的表面或者結構中，可以改進和提高碳納米纖維的各方面性能。其中，氮原子在元素周期表中與碳原子臨位，原子半徑與碳原子相近，因此氮原子可以比較容易進入碳材料的晶格結構中去。并且氮元素部分取代碳元素，使碳層中石墨微晶平面層產生諸多缺陷位，可增強碳材料表面潤濕性，提高材料化學活性。因此，對碳納米纖維進行氮摻雜處理，將大大擴展其在各個領域的應用范圍。

目前，用于含氮碳材料合成的方法有很多，通常需要用氨氣等含氮氣體在高溫條件下對預先合成的碳材料進行表面改性，或者在碳材料表面嫁接含氮有機基團從而達到改變碳材料表面性質的目的。其中，采用氨氣（Applied Surface Science 393（2017）144—150）作為氮源，腐蝕性大，高溫焙燒會損壞反應容器，并且合成過程也會對環境造成影響，不適于規?；苽洹６渌苽浞椒?，或者過程繁復冗長、或者合成成本高昂不利于其商業化應用。并且上述這些方法，在制備過程中難以對摻氮含量、摻氮種類進行有效的控制，制備得到的氮摻雜碳材料產率也較低。因此，尋求一種簡單可行、廉價的制備氮摻雜碳納米纖維的方法，并能有效調控其含氮量、摻氮種類和孔結構，已成為該領域的研究熱點。

發明內容

為了避免現有技術的缺點和不足，本發明提出一種制備高氮含量、摻氮種類可調的氮摻雜碳納米纖維的制備方法。該方法利用濕法氧化聚合的方法獲得了氮源原位包覆的碳納米纖維，并通過選擇不同的高溫熱處理溫度，實現了氮摻雜碳材料的氮含量、摻氮種類與孔結構的有效控制。

本發明的另一目的在于提供一種通過上述方法制備得到氮摻雜碳納米纖維材料。

本發明目的具體通過以下技術方案實現：

本發明提出的一種制備高氮含量、摻氮種類可調的氮摻雜碳納米纖維的制備方法，具體步驟如下：

（１）將碳納米纖維在去離子水中均勻分散后，得到碳納米纖維分散液，接著加入吡咯單體混合，經過超聲分散后得到暗黃色懸濁液；所述的碳納米纖維分散液的濃度為8 g/L；所述的吡咯單體與碳納米纖維分散液的體積比為1:40-1:120；

（２）將過硫酸銨水溶液滴加到步驟（１）所得的暗黃色懸濁液中，得到混合溶液，再將混合溶液冷卻到10℃以下，在0-10℃的低溫條件下，攪拌1-12h，過濾、洗滌所得產物；硫酸銨水溶液與吡咯單體的體積比為250:1；

（３）在惰性氣氛下，對步驟（２）所得產物進行高溫焙燒，得到氮摻雜碳納米纖維材料；所述高溫焙燒工藝中，以2-５℃/min的升溫速率，升溫至200℃，保持1小時，然后５-10℃/min的升溫速率，升溫至700℃-1100℃，然后在該溫度下保持2.5-3.5小時。

本發明中，步驟（1）中所述的吡咯單體與碳納米纖維分散液的體積比為1:40、1:60或1:120。