[发明专利]一种多孔高比表面积的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米材料领域，公开了一种多孔高比表面积的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮溶液作为氮源和碳源，加入烧杯中；向所述氮源溶液中加入铋盐，搅拌并用弱酸溶液调节pH值，使铋盐全部溶解；将已配好的溶液置于电热鼓风干燥箱中干燥得到固体前驱物；将固体前驱物研磨至细粉后放入瓷舟中，在保护气体环境下，置于管式炉中加热焙烧，得到纳米片材料。通过该方法将碳纳米材料的合成、掺杂和铋纳米颗粒的修饰合三为一，所得的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料的结构和性能稳定，表现出了较好的重金属检测性能。本发明提供的制备方法过程简单易行，成本低，适宜大规模化生产。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及氮掺杂碳纳米材料技术领域，具体涉及一种多孔高比表面积的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳纳米材料是自然界中最普遍的一种材料，在能源与材料领域占有者非常重要的地位。碳纳米材料具有高的导电性能，高比表面积，化学稳定性好且可方便大规模生产的特性，已经被广泛应用于能量储存，气体分离，重金属吸附与检测等领域。然而，纯的碳材料亲水性能差，活性较低，不利于重金属在其表面沉积、分散以及相互作用，在一定程度上限制了其应用。目前，常用的方法就是对碳纳米材料进行改性和掺杂。比如N，S，P等掺杂原子的作用，使碳纳米材料载体具有极性，为金属颗粒的沉积提供了较多的活性位点。

在众多的杂原子中，氮原子的掺杂是最早被人们研究，也是研究最多的掺杂元素。目前，氮掺杂的碳材料主要有以下几种合成方式：原位掺杂和后处理掺杂法。原位掺杂法是采用含氮元素的有机小分子(如尿素，三聚氰胺等)进行化学气相沉积生长获得氮元素掺杂的碳材料，该方法需要昂贵的仪器设备，缺点是无法满足大规模的工业化生产。后处理掺杂法则是将制备好的碳材料在含氮元素的活化气体中进行后期的功能化，然而这一活化过程通常需要在较高的温度下完成，因此生产耗能和安全因素是制约其发展的两大重要问题。

铋纳米颗粒具有独特的物理化学性质而受到广泛的关注，被广泛应用于重金属离子和生物小分子的分析检测，电催化以及电池行业。常规的制备金属纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料的方法分为两步：首先制备出碳材料，然后进行氮元素的掺杂。这种常规的制备方法，操作过程比较复杂，步骤繁琐，从而限制了其广泛应用。而且，其它物质作为氮源，不仅增加了成本，而且容易造成混合不均，表面积较小，最后使氮掺杂也不均匀。同时，具有较高氮掺杂量和高比表面积的碳纳米片框架材料还没有文献以及专利进行相关的报道和公开。因此，探讨出具有方便、易实现的多孔高比表面积的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料制备方法，及其应用，具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种多孔高比表面积的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料的制备方法。方法易行，操作简单，以聚乙烯吡咯烷酮溶液作为氮源，铋盐提供金属铋离子，采用直接焙烧的方式，将碳纳米片材料的合成、掺杂和铋纳米颗粒的修饰合三为一，且得到的碳纳米框架材料具有多孔，高比表面积，结构和性能稳定，可以用于痕量重金属离子的快速分析检测。

本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的多孔高比表面积的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料。

本发明的再一目的在于提供一种上述多孔高比表面积的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种多孔高比表面积的铋纳米颗粒修饰的氮掺杂碳纳米片材料的制备方法，包括以下步骤：

(a)将聚乙烯吡咯烷酮作为碳源和氮源，加入溶剂充分溶解，得到氮源溶液；

(b)向步骤(a)所得氮源溶液中加入铋盐，搅拌并用弱酸溶液调节pH值，使铋盐全部溶解，得到混合溶液；

(c)将步骤(b)所得氮源溶液置于电热鼓风干燥箱中干燥得到固体前驱物；