[发明专利]一种无催化剂化学气相沉积制备N掺杂碳纳米线的方法

说明书

本发明涉及一种无催化剂化学气相沉积制备N掺杂碳纳米线的方法，包括：将聚氨酯和氢氧化钾混合，得到聚氨酯/氢氧化钾混合物；将聚氨酯/氢氧化钾混合物预碳化和碳化，即得N掺杂的碳纳米线。本发明用廉价的聚氨酯和氢氧化钾为原料，且无催化剂的加入，解决了目前用的化学气相沉积法能耗大、成本高的问题。本发明优化了聚氨酯和氢氧化钾的配比，预碳化和碳化温度，成功制备N掺杂的碳纳米线，避免了碳材料的团聚。

技术领域

本发明涉及一种无催化剂化学气相沉积制备N掺杂碳纳米线的方法，属于碳纳米材料制备技术工艺领域。

背景技术

材料是社会进步的物质基础与先导，纳米材料被誉为是21世纪的重要材料，将是构成未来智能社会的四大支柱之一。纳米材料具备一些传统材料不具备的特性，当前已渗透到国防建设、国民经济和人们的日常生活等各个领域，引领和支撑着一大批高新技术产业的发展。因此，研究和开发经济、简单及环境友好的新型碳纳米材料的制备工艺成为重要的研究方向之一。碳纳米线作为纳米材料的成员之一，具有优异的电学性能、光学性能和力学性能，这些特性引起了化学界、材料界和凝聚态物理界科学家们的关注，成为近年来纳米材料研究的热点之一。

制备碳纳米线的方法主要包括电弧放电法、激光蒸发石墨法以及化学气相沉积法。其中，电弧放电法和激光蒸发石墨法用来合成石墨化程度高的碳纳米线，且工艺参数较易控制，因此已成为制备碳纳米管、碳纳米线等新型纳米材料的经典方法。但是，电弧放电法和激光蒸发石墨法的装置比较复杂，不容易规模化生产，使其发展受到一定的制约。化学气相沉积法是近几年发展起来的中温合成法，合成温度一般在500～1200℃，与电弧放电法和激光蒸发石墨法相比具有成本低、产量大、碳源种类丰富等优点，更具有工业化大规模生产的发展前景。但是，目前在用的气相合成碳纳米线的方法均采用过渡金属作为催化剂(铁、钴、镍等)，存在能耗大、成本高的主要问题。

中国专利文件CN103708430A(申请号：201310710422.3)一种超硬复合相氮化碳纳米线的制备方法，主要是以聚合碳源、氧化铁(Fe2O3)、氯化铵(NH4Cl)为原料，首先将称量好的原料研磨、高速混合均匀后于500-750℃保温，最后获得粗产物经过提纯，即可得到超硬复合相氮化碳纳米线粉体。然而，该氮化碳纳米线仍然需要催化剂进行催化，仍然存在上述技术问题。

发明内容

针对现有合成方法存在的缺陷，解决上述问题，本发明提供一种无催化剂化学气相沉积制备N掺杂碳纳米线的方法。本发明以廉价的聚氨酯为碳源和氮源，与氢氧化钾以一定的质量比例充分混合均匀，通过化学气相沉积法合成N掺杂的碳纳米线。本发明具备工艺流程简单、制备效率高、原材料价格低廉等优点。

本发明的技术方案如下：

一种N掺杂的碳纳米线的制备方法，包括：

将聚氨酯和氢氧化钾混合，得到聚氨酯/氢氧化钾混合物；

将聚氨酯/氢氧化钾混合物预碳化和碳化，即得N掺杂的碳纳米线。

根据本发明，优选的，所述的聚氨酯和氢氧化钾的质量比为1:4-1:5。

根据本发明，优选的，所述的聚氨酯和氢氧化钾的混合过程通过研磨混合。

根据本发明，优选的，所述的预碳化温度350-450℃，进一步优选的，预碳化温度为400℃；预碳化时间0.5-1h。

根据本发明，优选的，所述的碳化温度750-850℃，进一步优选的，碳化温度800-850℃，碳化时间0.5-1h。

根据本发明，优选的，预碳化和碳化过程中，在保护气氛中进行，进一步优选的保护气氛为Ar气，保护气氛的流量为60-200sccm。

根据本发明，优选的，预碳化和碳化过程中的升温速率为1-10℃ min^-1。