[發(fā)明專利]一種富氮摻雜無(wú)定形碳/石墨碳納米復(fù)合物粉體大規(guī)模生產(chǎn)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911345480.4
• 申請(qǐng)日: 2019-12-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111137872A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃昊;齊民;董旭峰;朱盛銘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05;C01B32/158;C01B32/168
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;李曉亮

1.一種富氮摻雜無(wú)定形碳/石墨碳納米復(fù)合物粉體大規(guī)模生產(chǎn)方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)原材料選擇：選擇石墨碳、吡咯單體、水、過(guò)硫酸銨和濃鹽酸作為濕化學(xué)富氮摻雜無(wú)定形碳/石墨碳復(fù)合物粉體大規(guī)模生產(chǎn)的原材料；其中，石墨碳包括多壁碳納米管或氧化石墨烯；

(2)吡咯純化處理：對(duì)吡咯單體進(jìn)行減壓蒸餾，在此過(guò)程中通氮?dú)獗Ｗo(hù)，減壓后利用油浴加熱到90～100℃，密封遮光，并放到冰箱冷卻保存；

(3)石墨碳預(yù)處理：(a)將多壁碳納米管放入濃硫酸與濃硝酸的混合溶液中進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理溫度為130～160℃，時(shí)間為1.5～2.5小時(shí)；(b)氧化石墨烯無(wú)需預(yù)處理；

(4)石墨碳分散：將步驟(3)預(yù)處理后的多壁碳納米管或氧化石墨烯溶解于水中，超聲分散直至形成懸濁液或溶液：預(yù)處理后的多壁碳納米管無(wú)法溶解于水中，形成均一的懸濁液；氧化石墨烯能溶解于水，形成均一的溶液；所述純碳納米管或氧化石墨烯與水的質(zhì)量比可調(diào)，其中碳材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.02％；

(5)吡咯分散：常溫快速攪拌條件下，在步驟(4)的懸濁液或溶液中逐滴加入步驟(1)純化后的吡咯單體，攪拌至少1小時(shí)后，形成均一的懸濁液或溶液；所述純化后的吡咯單體與水的質(zhì)量比可調(diào)，其中，吡咯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.2％

(6)反應(yīng)溶液環(huán)境控制：在(5)的懸濁液/溶液中加入濃鹽酸；所述濃鹽酸與水的體積比可調(diào)，其中濃鹽酸的摩爾分?jǐn)?shù)范圍在0.5～2mol/L；

(7)吡咯原位聚合：在(6)的懸濁液/溶液中以加入過(guò)硫酸銨，冰水浴條件下，持續(xù)攪拌24小時(shí)；所述過(guò)硫酸銨的摩爾數(shù)與加入的吡咯摩爾數(shù)相同；

(8)富氮摻雜無(wú)定形碳/石墨碳納米復(fù)合物粉體清洗與收集：對(duì)步驟(7)中的反應(yīng)溶液進(jìn)行真空抽濾清洗后，60℃下干燥；

(9)室溫下，將步驟(8)中干燥收集后的粉末置于充滿氮?dú)獾沫h(huán)境中，當(dāng)溫度至400～1000℃后保溫2小時(shí)，隨后自然降溫至室溫，在此過(guò)程中，一直通入純氮?dú)獠⒏艚^空氣，得到產(chǎn)物。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種富氮摻雜無(wú)定形碳/石墨碳納米復(fù)合物粉體大規(guī)模生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟(1)中所述的多壁碳納米管的純度≥95％，直徑、長(zhǎng)度可調(diào)；氧化石墨烯的純度≥95％，石墨片層堆積層數(shù)可調(diào)；吡咯單體的純度≥99％，水分＜0.1％；過(guò)硫酸銨的純度≥95％；濃鹽酸的濃度為12mol/L。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種富氮摻雜無(wú)定形碳/石墨碳納米復(fù)合物粉體大規(guī)模生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟(3)所述的混合溶液中，濃硫酸與濃硝酸的體積比為4:1；濃硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥70％，濃硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為68％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種富氮摻雜無(wú)定形碳/石墨碳納米復(fù)合物粉體大規(guī)模生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟(6)所述反應(yīng)溫度控制在0～5℃。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種富氮摻雜無(wú)定形碳/石墨碳納米復(fù)合物粉體大規(guī)模生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟(7)所述的清洗過(guò)程中，清洗溶劑為水和無(wú)水乙醇，水與無(wú)水乙醇的攪拌清洗時(shí)間分別在5～8小時(shí)和1～2小時(shí)。