[發明專利]一種超高摻氮量摻氮碳納米管的制備方法

在審

• 申請號: 202111029502.3
• 申請日: 2021-09-03
• 公開（公告）號: CN113511644A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 王奇;趙曉倩;劉亞青;吳聰雅;韓孟杰;趙貴哲
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: C01B32/16
• 分類號: C01B32/16;C01B32/168;B01J23/881;B01J23/882;B01J37/10;B01J37/03;B01J37/08
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 張彩琴;李曉娟

本發明涉及摻氮碳納米管的制備領域，具體是一種超高摻氮量摻氮碳納米管（NCNT）的制備方法，包括以下步驟：基于催化化學氣相沉積的方法，在反應器內提供穩定碳氮源的基礎上，再提供含氮原子的載氣，載氣攜帶碳氮源至金屬基催化劑表面，沿金屬基催化劑顆粒外緣生長獲得超高摻氮量的NCNT。本發明通過簡易裝置即可進行，工藝簡單、經濟、高效、綠色環保。本發明使用的原料同時具備了碳源與氮源，具有操作簡單、工藝先進、氮摻雜量高的特點。制備的NCNT同時具有超高氮含量與高產率。與目前市場上的NCNT相比具有很大的競爭力。本發明所用催化劑反應條件溫和，效率高。

技術領域

本發明涉及摻氮碳納米管的制備領域，具體是一種超高摻氮量摻氮碳納米管（NCNT）的制備方法，該方法制備的摻氮碳納米管具有極高產率以及極高摻氮率，且制備方法簡單、工藝先進、可產業化大規模制備。

背景技術

碳納米管(CNT)由于高長徑比和大的比表面積、機械性能優異等特性，在傳導、電磁屏蔽、微波吸收、超級電容器、電極材料、催化劑、催化劑載體、場發射顯示器、透明導電膜、掃描探針端、藥物釋放、電子器件、傳感器以及驅動器等多個領域得到了廣泛的研究。CNT已然成為目前的研究熱點，具有很大的開發潛力，尤其表現在對CNT進行摻雜和復合后所具有的優異性能。目前對CNT也進行了各種雜原子的摻雜，比如硼、氮、磷、硫等，這些摻雜改變了CNT表面碳原子的外層電子數，電負性以及原子尺寸，從而表現出特異的電子特性和表面缺陷，具有優異的力學、電學和催化性能，可廣泛應用于光電子器件、生物化學傳感器、催化劑、超級電容器、鋰離子電池、燃料電池及太陽能電池等領域。因而摻雜CNT的可控規模化制備也成為了一個前沿研究課題。目前制備碳納米管的方法主要有石墨電弧法、浮動催化法、激光蒸汽法、熱解聚合物法、化學氣相沉積。在這些方法中，由于化學氣相沉積法可以調整碳源，催化劑以及合成氣氛等實驗條件，是一種被廣泛使用的制備碳納米管的方法。對CNT進行氮摻雜是目前最常見也是研究范圍最廣的CNT摻雜課題，我們以氮摻雜碳納米管（NCNT）的可控大量制備進行了研究。

發明內容

本發明的目的在于提供一種簡單綠色且易于產業化的超高摻氮量摻氮碳納米管（NCNT）的制備方法。通過采用本發明所述制備方法，能夠得到時具超高氮含量與高產率的NCNT。該方法工藝簡單、經濟、高效，解決了目前摻氮碳納米管摻氮量普遍不高的問題。

本發明是通過以下技術方案實現的：一種簡單綠色且易于產業化的超高摻氮量摻氮碳納米管的制備方法，包括以下步驟：基于催化化學氣相沉積的方法，在反應器內提供穩定碳氮源的基礎上，再提供含氮原子的載氣，載氣攜帶碳氮源至金屬基催化劑表面，沿金屬基催化劑顆粒外緣生長獲得超高摻氮量的NCNT。

作為本發明技術方案的進一步改進，所述反應器內NCNT的生長溫度為300～1400℃。

作為本發明技術方案的進一步改進，所述金屬基催化劑的組成中包括但不限于Fe、Mo、Al、Co、Ni、Mg、Cu中的一種或兩種以上金屬元素。

作為本發明技術方案的進一步改進，所述金屬基催化劑的制備方法包括但不限于溶膠凝膠法、水熱合成法、溶液合成法。

作為本發明技術方案的進一步改進，所述碳氮源包括氣態碳氮源、氣化的固態碳氮源或氣化的液態碳氮源。

作為本發明技術方案的進一步改進，所述氣態碳氮源包括但不限于氨氣、乙炔；所述固態碳氮源包括但不限于咪唑、氮芥、三聚氰胺、對苯二胺、苯并咪唑；所述液態碳氮源包括但不限于氫氰酸、氨水、苯胺、吡啶、乙二胺、乙腈。

作為本發明技術方案的進一步改進，所述含氮原子載氣中氮原子包括但不限于氮氣、氨氣、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮中的一種或兩種以上。

作為本發明技術方案的進一步改進，所述NCNT的摻氮量在0.1～50at.%。

作為本發明技術方案的進一步改進，所述NCNT的產量為金屬基催化劑用量的1～2000%。