[发明专利]一种具有良好电化学性能的解开的氮掺杂碳纳米管衍生物

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种具有良好电化学性能的解开的氮掺杂碳纳米管衍生物及其制备方法。

背景技术

自从用电弧放电蒸发法制备出碳纳米管(CNTs)，对于CNTs的研究就引起了广泛的关注。CNTs是由sp2-杂化碳原子构成的有序的、中空的圆柱型一维的石墨烯材料。它的独特结构特征和优异的性能使其有机会发展成先进的电极材料。除此之外，他们丰富的电子性能以及沿着他们长度上的显著的电导性使他们在电化学领域广为流行。在众多功能化的CNTs中，竹节状的N掺杂的碳管(NCNTs)是一种拥有独特功能性质的纳米材料，它不仅有着碳管自身所具有的丰富的电子性能以及沿着他们长度上的显著的电导性，通过N的掺杂，会导致在石墨晶格平面上产生空位或是其他缺陷，而这些表面缺陷通常可以当作是反应活性态。并且，N原子的独对电子可以提供电催化活性态。然而，尽管他们具有这么多良好的性能，CNTs所具有的惰性并且疏水的外壁，导致它的表面积以及可用的活性态得到限制，这些都不利于它在电化学领域的应用。因此，要进一步具有良好电化学性能的碳纳米管衍生物对于推动其在电化学领域的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好电化学性能的解开的氮掺杂碳纳米管衍生物及其制备方法。制得的氮掺杂碳纳米管衍生物，具有优异的导电性、较大的比表面积和更多的反应活性位点，是一种优异的电化学电极材料，在电化学领域，诸如电容器、锂电池、电催化以及电化学传感器等上具有广泛的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有良好电化学性能的解开的氮掺杂碳纳米管衍生物是利用氮掺杂多壁碳纳米管作为原材料，采用溶液氧化解开法制得的。

制备方法：将氮掺杂多壁碳纳米管与浓硫酸混合均匀后，加入磷酸，搅拌均匀后，加入高锰酸钾，恒温水浴中匀速搅拌，室温下静置，加入含有过氧化氢的冰去离子水，静置分层，除去上清液，用盐酸和去离子水抽滤至中性，再用去离子水配制成氮掺杂碳纳米管衍生物溶液。

所述的氮掺杂多壁碳纳米管为竹节状结构，直径为30～50nm，纯度>95wt.%。

浓硫酸用量为磷酸重量的5-9倍。

高锰酸钾用量为氮掺杂多壁碳纳米管重量的3-5倍，控制加入时间为0.5～1小时。

所述的恒温水浴温度为50～100℃，搅拌时间为2～3小时。

所述的含有过氧化氢的冰去离子水中过氧化氢的浓度为1～5wt.%。

抽滤过程使用的盐酸的质量分数为10～30%。

盐酸抽滤后的粗产品在去离子水中再溶解时，需进行超声，超声功率为30～80瓦，超声时间为1～10分钟。

所述的氮掺杂碳纳米管衍生物溶液的浓度为1～10 mg/mL。

本发明的有益效果在于：利用一种简单易行的化学氧化方法将氮掺杂碳纳米管进行解开，形成了具有良好的导电性、较大的比表面积和更多的反应活性点的电化学电极材料。

附图说明

图1是氮掺杂多壁碳纳米管的透射电镜图。

图2是实施例1制得的氮掺杂石墨烯/碳管复合材料的透射电镜图。

图3是实施例1制得的氮掺杂石墨烯/碳管复合材料及其原材料的拉曼衍射图。

图4是实施例1制得的氮掺杂石墨烯/碳管复合材料在铁氰化钾中的阻抗测试图。

图5是实施例1制得的氮掺杂石墨烯/碳管复合材料在六胺合钌中的循环伏安测试图。

图6是实施例2制得的氮掺杂石墨烯纳米带的透射电镜图。

图7是实施例2制得的氮掺杂石墨烯纳米带在铁氰化钾中的阻抗测试图。

图8是实施例2制得的氮掺杂石墨烯纳米带在六胺合钌中的循环伏安测试图。

具体实施方式

将氮掺杂多壁碳纳米管与浓硫酸混合均匀后，加入磷酸，搅拌均匀后加入高锰酸钾，置于恒温水浴中匀速搅拌后，取出静置至室温，加入含有过氧化氢的冰去离子水，再静置分离除去上清液后，用盐酸抽滤，取滤渣在去离子水中溶解均匀后，加入盐酸搅拌均匀，用去离子水进行抽滤清洗至中性，再在去离子水中配制成溶液。取适量所制溶液滴加在玻碳电极上,自然干燥。

优选地，所述的氮掺杂多壁碳管为竹节状结构，直径为30～50nm，纯度>95wt%。

优选地，所述浓硫酸用量为磷酸的500～900wt%。

优选地，所述磷酸纯度为85%。

优选地，所述高锰酸钾用量为氮掺杂多壁碳管的300～500wt%。