[发明专利]一种空心氮掺杂碳纳米管的制备方法

说明书

本发明属于无机非金属材料领域，具体涉及一种空心氮掺杂碳纳米管的制备方法。以正硅酸乙酯(TEOS)为二氧化硅前驱体制备二氧化硅模板，以3‑氨基甲醛树脂(APF)为碳源、氮源，通过调节氯化镍溶液的浓度、3‑氨基酚和甲醛加入量，以及碳化温度，实现对Ni@N doped C复合材料的长径比、含氮量和结构参数的控制。经过刻蚀除硅后，最终可以制备出具有高N含量，高比表面积，大孔体积，可调长径比和中孔尺寸的空心氮掺杂的碳纳米管。

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及一种空心氮掺杂碳纳米管的制备方法。

背景技术

一维(1D)管状纳米结构不仅具有高的几何长径比和优异的力学刚性，而且可用于具有不同化学组成的一维结构的纳米器件和具有特殊应用的基本结构模块。1991年，日本NEC公司基础研究实验室的lijima博士首次发现了多壁碳纳米管(最初命名graphiticcarbon)并发表在Nature期刊上，宣告了碳纳米管的正式发现。这种一维碳纳米管具有优良的抗拉强度、抗弯曲性能，化学稳定性好，载流容量高，导电、导热性能出色。目前管状纳米材料已经在燃料电池/锂电池，催化，光催化和气体存储等方面具有丰富的应用，在海水淡化、吸光/吸波、半导体、分子机器等领域也有很大的潜力。同时，将氮原子掺杂到碳骨架中是一种广泛应用于碳纳米材料的有效策略。通过原位合成或后处理的方式可以有效地引入氮掺杂，但同时也伴随着拓扑缺陷的产生。此类缺陷对于碳纳米材料的诸多性质至关重要，如高载流子密度、高催化活性、高化学亲和性等。

近年来，随着化学技术的不断发展，氮掺杂碳纳米材料在载流子密度、表面能和表面反应活性等方面的调控都大大增强，进而扩宽了材料的应用领域。典型的碳纳米管为无缝的结构，但实际所形成的碳纳米管并不总具有理想的完整的碳原子六元环网络的筒状结构。一般碳纳米管由于生长环境条件的差别，往往存在多种结构缺陷，比如碳管的局部不连续，由许多小的石墨碎片堆砌，拼凑或卷曲而成。这种碳纳米管的长程有序性不高；或碳纳米管为卷筒状结构，而非无缝闭合的柱状等等。

公开号为CN104979539A的专利文献公开了一种碳硅复合纳米管的制备方法，以氧化锌纳米棒作为模板包覆二氧化硅，通过乙炔的高温气相分解在二氧化硅表面生成碳纳米材料。Babu D J等人在Carbon杂志上发表了利用水辅助化学气相沉积法使用双金属Al/Fe催化剂体系来制备碳纳米管并通过高温二氧化碳气体处理，得到垂直排布的碳纳米管阵列在高压吸附二氧化碳应用方面有优异的表现。然而上述方法存在原材料昂贵，合成过程复杂，单次合成产量较少等缺点。

目前碳纳米管的制备存在合成方法复杂，制备难度大，成本居高不下，多采用化学气相沉积方法且产量较低，所以提供一种可以制备高质量和大规模的有序性碳纳米管的方法尤为重要。

发明内容

针对背景技术中述及的技术问题，本发明提供了一种空心氮掺杂碳纳米管的制备方法：使用氧化硅纳米管作为模版，三氨基酚甲醛树脂(APF)作为碳源、氮源，合成具有高N含量，高比表面积，大孔体积，可调长径比和中孔尺寸的氮掺杂碳纳米管。

本发明方法具体通过以下步骤实现：

(1)制备反胶束体系

将Brij系列非离子表面活性剂溶解在环己烷中，并置于温度为50℃的恒温水浴锅中。在搅拌条件下，通过移液管加入氯化镍(NiCl₂)溶液并搅拌直至均匀，然后滴加水合肼，继续搅拌3小时，得到镍肼反胶束体系。

(2)制备镍肼@SiO₂复合纳米棒

向镍肼反胶束体系中连续加入三乙胺和正硅酸乙酯(TEOS)，在磁力搅拌下使二氧化硅涂覆过程进行12小时，在镍肼棒外生成氧化硅外壳，得到镍肼@SiO₂复合纳米棒，然后冷却。

(3)制备镍肼@SiO₂@APF复合材料