[发明专利]硼掺杂碳纳米管薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硼掺杂碳纳米管薄膜及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：1)按照(90‑100):(1.3‑1.7):(0.5‑1.5)的质量比称量乙醇、二茂铁和噻吩得到混合溶液，再加入所述混合溶液1‑3wt.％的硼酸，在40‑60℃分散均匀，作为前躯体溶液；2)将CVD炉完全密封，持续通入100‑200sccm的Ar，以排除炉内空气，调节CVD炉升温至1100‑1200℃并保温2‑5h，为后续碳纳米管膜的生长提供恒温环境；3)关闭Ar，持续通入700‑900sccm的H₂作为反应气至H₂充满整个炉膛，再以8‑15mL/h的注液速率经过超声雾化装置，将步骤1所述的前躯体溶液以均匀分散的雾状液滴注入炉内，10‑30min后在炉膛底部硼掺杂碳纳米管薄膜，质量比电容可高达65.6F/g。

技术领域

本发明涉及碳纳米管基薄膜技术材料领域，特别是涉及一种硼掺杂碳纳米管薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

碳纳米管作为一种独特的一维材料，具有优异的导电性能和良好的离子、电子的传输能力，广泛应用于电化学修饰电极的制备。但采用碳纳米管直接作为负极材料时仍存在不足之处，主要表现为第一次不可逆容量较大、电位滞后现象等，限制了碳纳米管的实际应用。对碳纳米管进行异原子掺杂，可以有效地控制碳纳米管的晶体和电子结构，提高纯碳纳米管的电化学性能。在各种掺杂元素中，硼由于只有三个价电子，可以活化碳结构中的sp²惰性电子，产生大量自由移动的π电子，有效提高碳纳米管的导电性和电化学性能。目前将硼与碳纳米管复合的方法主要有模板法、化学气相沉积法以及水热/溶剂热法结合后期的热处理，工艺过程较为复杂且耗时。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种硼掺杂碳纳米管薄膜及其制备方法和应用,通过有效地引入硼源，实现对碳纳米管结构的改性，具体的，通过浮动裂解一步制备法，采用有机金属化合物为催化剂，噻吩为反应促进剂，溶入乙醇当中形成前躯体溶液，一同注入立式化学气相沉积炉(CVD炉)内，催化剂颗粒浮在反应气H₂的载气中，最终可以在炉膛底部收集到薄膜状的产物，使制备连续化、规模化。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种硼掺杂碳纳米管薄膜，所述碳纳米管包括直径为50-80nm的弯曲短粗管和直径为15-25nm的长直碳纳米管，其中所述弯曲短粗管是由紧贴的碳笼堆叠而成；

所述硼掺杂碳纳米管薄膜按照以下方法制备：

步骤1，按照(90-100):(1.3-1.7):(0.5-1.5)的质量比称量乙醇、二茂铁和噻吩得到混合溶液，再加入所述混合溶液1-3wt.％的硼酸，在40-60℃分散均匀，作为前躯体溶液；

步骤2，将CVD炉完全密封，持续通入惰性保护气体以排除炉内空气，调节CVD炉升温至1100-1200℃并保温2-5h，为后续碳纳米管膜的生长提供恒温环境；

步骤3，关闭惰性保护气体，持续通入H₂作为反应气至H₂充满整个炉膛，再以8-15mL/h的注液速率经过超声雾化装置，将步骤1所述的前躯体溶液以均匀分散的雾状液滴的形式注入炉内，在1100-1200℃进行反应，反应完成后在炉膛底部收集硼掺杂碳纳米管薄膜。

在上述技术方案中，所述惰性保护气体为氮气、氩气或氦气。优选为100-200sccm的Ar。

在上述技术方案中，所述步骤3中通入H₂的速度为700-900sccm。

在上述技术方案中，所述步骤3的反应时间为10-30min，所述硼掺杂碳纳米管薄膜的形态为筒状类薄膜。