[发明专利]一种氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于新型碳材料技术领域，具体涉及到一种氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

碳纳米纤维（carbon nano-fibers, 简称 CNFs）是一种非连续石墨线，也是准一维的新型碳材料，最近十多年以来受到科技工作者的广泛关注。CNFs的直径一般在十几纳米至上百纳米，长度一般达几十微米，长径比分布在 １００～５００ 。ＣＮＦｓ是介于石墨和球碳之间的材料，由纳米尺寸的石墨片层在空间与纤维的轴向成不同角度堆积而成。人们通过深入研究，发现纳米碳纤维具有独特的纤维结构，不仅具有缺陷数量少、比表面积大、长径比大等优点，还有低密度、高比模量、高比强度、高导电性、高导热性以及结构致密等特性，这种新型的碳材料在存储材料、电极材料、催化剂和催化剂载体、高效吸附剂、分

离剂以及复合材料等方面具有广阔的应用前景。

CNFs的制备方法比较多，但主要有这样几个：（1）基体法：利用陶瓷或SiO₂纤维作基体，然后将催化剂颗粒（多为 Ｆｅ 、 Ｃｏ 、 Ｎｉ 等过渡金属）分散为纳米级粒子，并使它们在基体上均匀分散，反应过程中催化剂始终沉积在反应器中的基体上，根据催化剂活性的不同选择合适的反应温度，通入烃类气体热解并分解，碳沉积生长获得具有纳米尺度的碳纤维。（2）喷淋法：首先制备出纳米催化剂颗粒，如金属细粉、 二茂铁等，然后将纳米催化剂颗粒按一定的比例与苯等液体有机溶剂充分混合，最后控制一定的压力，将这种混合溶液喷淋到高温反应室中，得到碳纳米碳纤维。（3）气相流动催化法：将某些金属有机物，如二茂铁等与碳氢化合物混合，再将其加热到气体状态，并与某些烃类气体一起引入高温反应室，在高温下完成催化和烃类气体的分解，产生的金属颗粒作为催化剂分散在整个反应室空间，而烃类气体热解生成的碳原子在纳米级催化剂催化下生长成纳米碳纤维。（4）等离子体增强化学气相沉积法(PECVD): 先将一定量纯净的惰性气体充入抽成真空的反应室中，然后接通等离子体电源，同时导入各种反应气体与保护气体，反应体系在极短的时间内被等离子体高温焰流加热并达到引发相应化学反应的温度， 促进气体间的化学反应，从而在较低温度下沉积晶须并得到碳纤维产品。（5）静电纺丝法：用这种方法能制得连续纳米碳纤维。（6）电弧法：这种方法也是制备纳米碳纤维材料的主要方法之一。（7）激光消融法／射频磁控法：将催化剂与靶材合粉末压制成块，经高温去气后，将靶材加热到１２００°Ｃ左右， 用一束激光消融靶材形成气溶胶，同时吹入流量保护气（Ｈｅ或者Ａｒ）， 在一定气压下，在出气口附近由水冷收集器收集制得纳米碳纤维。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂碳纳米纤维，本发明的目的还提供了一种氮掺杂碳纳米纤维的制备方法。

本发明的实施方案为：一种氮掺杂碳纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）材料前驱体制备：

将镍盐或钴盐或镍盐与钴盐的混合盐、葡萄糖、三聚氰胺和双氰胺加入到去离子水中，在室温下充分搅拌，形成均匀分散液；随后，将该分散液在80^OC水浴中真空加热，除去水份，将得到的固体于40^OC下真空干燥，得到的固体为材料前驱体；

所述的镍盐或钴盐或混合盐、葡萄糖、三聚氰胺、双氰胺的质量比为：镍盐或钴盐或混合盐：葡萄糖：三聚氰胺：双氰胺 = 1～ 15：1～ 30：5 ～ 100：10 ～ 150；

（2）材料前驱体高温碳化制备：

将上述材料前驱体在氮气气氛下，以4 ^oC min^-1的升温速度加热到550^OC，并保持该温度一定时间；随后以2 ^oC min^-1的升温速度继续升温到820^OC，并保持该温度一定时间；最后在氮气氛下自然冷却到室温，得到黑色固体颗粒，收集，待处理；

（3）氮掺杂碳纳米纤维制备：

将上述黑色固体颗粒置于2 mol L^-1的H₂SO₄中，于室温下缓慢搅拌，过滤，用纯水洗至中性，最后用无水乙醇洗，将得到的固体于40⁰C下真空干燥，得到氮掺杂碳纳米纤维；