[发明专利]一种石墨纸表面海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇及制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨纸表面海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇及制备方法，通过改变聚碳硅烷与氮源的质量比，氮源种类和热处理温度等工艺参数，在石墨纸表面制备出海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇。本发明所制备的SiC纳米线，具有波动直径的锥形形状和锋利而清晰的尖端，并在石墨纸表面原位生长形成了海胆状SiC纳米线团簇，同时实现了大面积、可重复地原位生长海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇的效果。该方法操作简单，工艺可控，可重复性强，所制备的氮掺杂SiC纳米线长径比高，产量高，纯度高，为海胆状SiC纳米线团簇的原位生长提供了一种新的技术和方法，有望在能量存储和转换、场发射器、复合材料、纳米增强体和光电探测器等领域得到广泛应用。

技术领域

本发明属于SiC纳米线的制备领域，涉及一种石墨纸表面海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇及制备方法。

背景技术

SiC纳米线具有高长径比和比表面积、高导热及高导电性能、高热稳定性和化学稳定性以及优异的力学性能等一系列优点，在能量存储和转换、场发射器、复合材料、纳米增强体和光电探测器等领域受到了广泛关注。此外，研究表明，与普通单一直径的线状纳米结构相比，具有波动直径的SiC一维纳米结构(如链珠状、倒锥状和竹节状)有望在上述领域表现出更优异的性能。文献1“Zhang M,Zhao J,Li Z,et al.Bamboo-like 3C-SiC nanowireswith periodical fluctuating diameter:Homogeneous synthesis,synergistic growthmechanism,and their luminescence properties[J].Journal of Solid StateChemistry,2016,243:247-252.”通过化学气相反应工艺，在6H-SiC基板上制备了具有波动直径的竹节状3C-SiC纳米线。制备的SiC纳米线因其直径的纳米尺度和波动直径内部的高密度缺陷，展示了良好的光致发光性能；然而，该方法所制备的SiC纳米线随机取向，平铺于基体表面，极大地限制了SiC纳米线的应用潜力。另外，相关研究表明，氮掺杂是提高SiC纳米线微波吸收和场发射性能的有效途径。文献2“Chen S,Ying P,Wang L,et al.Highlyflexible and robust N-doped SiC nanoneedle field emitters[J].NPG AsiaMaterials,2015,7(1):e157-e157.”采用催化剂辅助热解工艺在碳纤维织物上合成了氮掺杂SiC纳米针。尽管SiC纳米针的锋利尖端和氮掺杂特性使其具有良好的场发射性能，但由于该工艺热解过程中的氮源(氮气)/载气(氩气)体积比难以调控，导致SiC纳米线的氮掺杂水平难以控制，甚至会产生氮化硅纳米线等杂质，降低产物纯度。因此，迫切需要开发一种简便有效的制备方法，实现对具有特殊形貌、可调氮掺杂水平SiC纳米结构的可控制备。

本发明将通过简单的催化剂辅助聚合物前驱体裂解工艺及可控的氮掺杂方式，在石墨纸表面制备海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇。所制备的SiC纳米线具有波动直径的锥形形状和锋利而清晰的尖端。该方法操作简单，工艺可控，可重复性强，有助于推广至大规模制备。所制备的氮掺杂SiC纳米线长径比高，产量高，纯度高，为基底表面原位生长海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇提供了一种新的技术和方法。同时，因其具有波动直径和锋利尖端的特殊结构，以及可控的氮掺杂水平，制备的SiC纳米线被认为在能量存储和转换、场发射器、复合材料、纳米增强体和光电探测器等领域有广泛的应用潜力。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种石墨纸表面海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇及制备方法，采用有机物聚碳硅烷(PCS)来提供硅源，以金属盐乙醇溶液为催化剂，通过前驱体高温裂解在石墨纸表面制备出海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇。该技术方案操作简单，工艺可控，可重复性强，产量高，纯度高，所制备的氮掺杂SiC纳米线具有波动直径的锥形形状和锋利而清晰的尖端，长径比高。同时，相比于随机取向的SiC纳米线，本发明制备的海胆状氮掺杂SiC纳米线团簇由于其在基底上的原位定向生长，可能表现出与基体之间优异的结合力和结构稳定性。