[发明专利]一种氮掺杂碳纳米管的制备方法

说明书

本发明涉及一种氮掺杂碳纳米管的制备方法，采用硬模板的方法合成，包括以下步骤：在水和乙醇反应介质中，以六水硝酸钴为钴源，采用水热法合成制得Co(OH)₂前驱体；在一定条件下，通过焙烧将Co(OH)₂前驱体转变为Co₃O₄纳米线；于一定pH值的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，在Co₃O₄纳米线表面包裹一层聚多巴胺，然后使其在惰性气氛中进行高温碳化，最后通过HCl刻蚀，去离子水洗涤多次，干燥后，即得到产品。与现有的制备碳纳米管技术相比，本发明制备工艺原料易得、操作方便、反应条件温和，制备的氮掺杂碳纳米管具有氮掺杂量高和比表面积大等特点。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管的制备方法。

背景技术

纳米材料具有许多优异的物理化学性质，尤其是多孔碳纳米材料因其具有可控的孔隙结构和表面化学性质，被广泛应用于催化、吸附分离、传感、电化学等领域，通过改性、掺杂等方法可以进一步改善多孔碳材料的性能，提高其应用价值。

氮是碳材料掺杂的理想元素，通过氮掺杂可以有效地改善碳材料的物理、化学等性质，产生特殊的光学、磁学和电学特性，其合成研究引起科学家越来越大的兴趣。氮原子在多孔碳材料结构中的引入势必会增加多孔碳材料的缺陷位，从而在电化学或电催化反应中的活性增加。表面含氮官能团不仅能改善多孔碳材料的表面亲水性能，提高其生物相容性，还可以使多孔碳材料更易与金属离子结合，从而有利于金属催化剂更加均匀地分散到碳材料的表面。总之，氮掺杂的多孔碳材料比纯多孔碳材料具有更多优异的性质，将大大扩展碳材料在各个领域的应用范围。

目前，关于氮掺杂碳纳米管制备方法的公开文献较多。中国专利CN 107686105 A公开了一种氮掺杂碳纳米管材料制备方法，碳纳米管与三聚氰胺固体以质量比为1:1-4混合并用研钵研匀，于氮气中高温焙烧，洗至中性后烘干。中国专利CN 108063056 A公开了一种多孔氮掺杂碳/碳纳米管复合材料及其制备方法，利用甲基橙、氯化铁和吡咯制备聚吡咯纳米管为基体，在聚吡咯纳米管表面原位反应形成一层金属有机框架材料，将前驱体粉末在氮气或氩气保护气氛下高温碳化。中国专利CN 105084339 A公开了一种氮掺杂多壁碳纳米管及其制备方法，将一维纳米线水溶液与三羟甲基氨基甲烷混合后调节pH至碱性，再与多巴胺盐酸盐反应，将所述反应物与硅酸四乙酯在催化剂和表面活性剂溶液存在条件下反应，然后将三羟甲基氨基甲烷混合后调节pH至碱性，再与多巴胺盐酸盐反应，最后得到的反应物依次进行冷冻干燥、碳化处理与刻蚀处理，得到氮掺杂多壁碳纳米管。然而上述专利反应条件苛刻，所制备的氮掺杂碳纳米管氮掺杂量不高，比表面积达不到要求，难以应用于工业生产中。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前碳纳米管材料制备方法中存在一些苛刻要求，本发明提供的碳纳米管材料制备工艺原料易得、操作方便、反应条件温和，制备的氮掺杂碳纳米管具有氮掺杂量高和比表面积大等特点，可应用于实际生产活动中。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种氮掺杂碳纳米管的制备方法，该制备方法为：

(1)在水和乙醇反应介质中，加入钴源，采用水热法合成制得Co(OH)₂前驱体，通过焙烧，将Co(OH)₂前驱体转变为Co₃O₄纳米线；

(2)将Co₃O₄纳米线加入三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，再加入多巴胺，在Co₃O₄纳米线表面包裹一层聚多巴胺，在惰性气氛中进行高温碳化，最后通过酸液刻蚀，洗涤、干燥后，即得到产品。

进一步地，具体步骤为：

(1)将高纯水和乙醇等体积混合，加入钴源和尿素，进行超声分散，得到混合液；