[发明专利]一种制备高氮含量、掺氮种类可调的氮掺杂碳纳米纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种制备高氮含量、掺氮种类可调的氮掺杂碳纳米纤维的制备方法，将碳纳米纤维在去离子水中均匀分散后，加入吡咯单体经过超声分散后得到暗黄色悬浊液；然后将过硫酸铵水溶液滴加到暗黄色悬浊液中，将混合溶液冷却到10℃以下，在磁力搅拌的条件下低温反应后，过滤、洗涤所得产物；最后在保护气氛下焙烧，得到氮掺杂碳纳米纤维。本发明利用湿法氧化聚合法得到氮源原位包覆的碳纳米纤维，并通过选择不同的高温热处理温度，实现了氮掺杂碳材料的氮含量、掺氮种类与孔结构的有效控制。本发明具有操作程序简单、制备成本低、且适合工业化生产等特点，所得到的材料氮掺杂含量高（~10%），比表面积高（~300 m²/g）和掺氮种类可调，是一种极具潜力的制备方法。

技术领域

本发明属于杂原子掺杂碳纳米材料制备领域，具体涉及一种高氮含量、掺氮种类可调的氮掺杂碳纳米纤维的制备方法。

背景技术

碳纳米纤维是指具有纳米尺度的碳纤维，作为一种新型碳材料，具有高比表面积、力学性能优异和导电性良好等优点，使其在航天航空、建筑材料、吸附储能、电化学等方面具有广泛的应用价值。为了进一步改善碳纳米纤维材料在这些方面的应用，将杂原子（例如N、B、S等）掺杂到碳材料的表面或者结构中，可以改进和提高碳纳米纤维的各方面性能。其中，氮原子在元素周期表中与碳原子临位，原子半径与碳原子相近，因此氮原子可以比较容易进入碳材料的晶格结构中去。并且氮元素部分取代碳元素，使碳层中石墨微晶平面层产生诸多缺陷位，可增强碳材料表面润湿性，提高材料化学活性。因此，对碳纳米纤维进行氮掺杂处理，将大大扩展其在各个领域的应用范围。

目前，用于含氮碳材料合成的方法有很多，通常需要用氨气等含氮气体在高温条件下对预先合成的碳材料进行表面改性，或者在碳材料表面嫁接含氮有机基团从而达到改变碳材料表面性质的目的。其中，采用氨气（Applied Surface Science 393（2017）144—150）作为氮源，腐蚀性大，高温焙烧会损坏反应容器，并且合成过程也会对环境造成影响，不适于规模化制备。而其他制备方法，或者过程繁复冗长、或者合成成本高昂不利于其商业化应用。并且上述这些方法，在制备过程中难以对掺氮含量、掺氮种类进行有效的控制，制备得到的氮掺杂碳材料产率也较低。因此，寻求一种简单可行、廉价的制备氮掺杂碳纳米纤维的方法，并能有效调控其含氮量、掺氮种类和孔结构，已成为该领域的研究热点。

发明内容

为了避免现有技术的缺点和不足，本发明提出一种制备高氮含量、掺氮种类可调的氮掺杂碳纳米纤维的制备方法。该方法利用湿法氧化聚合的方法获得了氮源原位包覆的碳纳米纤维，并通过选择不同的高温热处理温度，实现了氮掺杂碳材料的氮含量、掺氮种类与孔结构的有效控制。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到氮掺杂碳纳米纤维材料。

本发明目的具体通过以下技术方案实现：

本发明提出的一种制备高氮含量、掺氮种类可调的氮掺杂碳纳米纤维的制备方法，具体步骤如下：

（１）将碳纳米纤维在去离子水中均匀分散后，得到碳纳米纤维分散液，接着加入吡咯单体混合，经过超声分散后得到暗黄色悬浊液；所述的碳纳米纤维分散液的浓度为8 g/L；所述的吡咯单体与碳纳米纤维分散液的体积比为1:40-1:120；

（２）将过硫酸铵水溶液滴加到步骤（１）所得的暗黄色悬浊液中，得到混合溶液，再将混合溶液冷却到10℃以下，在0-10℃的低温条件下，搅拌1-12h，过滤、洗涤所得产物；硫酸铵水溶液与吡咯单体的体积比为250:1；

（３）在惰性气氛下，对步骤（２）所得产物进行高温焙烧，得到氮掺杂碳纳米纤维材料；所述高温焙烧工艺中，以2-５℃/min的升温速率，升温至200℃，保持1小时，然后５-10℃/min的升温速率，升温至700℃-1100℃，然后在该温度下保持2.5-3.5小时。

本发明中，步骤（1）中所述的吡咯单体与碳纳米纤维分散液的体积比为1:40、1:60或1:120。