[发明专利]一种掺氮碳纳米角的制备方法

说明书

本发明公开一种制备掺氮碳纳米角的方法，属于直流电弧法制备碳纳米材料领域。本发明所述方法用石墨棒作阴极，阳极为带孔的石墨棒，并向孔中加入一定比例氮源与石墨粉的混合物，阴极和阳极竖直放置，电弧炉抽真空后，充入缓冲气体并启动电弧，反应结束后，收集反应腔内壁沉积物即为掺氮碳纳米角；本发明制备得到的碳纳米角纯度高，单个纳米角直径为2～5nm，多个纳米角聚集成直径80～100nm的球状聚集体；该方法采用直流电弧法制备掺氮碳纳米角，具有安全可靠、成本低廉、操作过程简单等优点。

技术领域

本发明涉及一种掺氮碳纳米角的制备方法，属于直流电弧法制备碳纳米材料领域。

背景技术

单根碳纳米角直径 2~5nm，一端为封闭的锥形结构，另一端开口，长度为10~20nm。碳纳米角通常以直径为80~100nm的球形聚集体存在。自1999年Iijima研究组首次在氩气环境下，用二氧化碳激光灼烧石墨棒制备碳纳米角以来，其特殊结构决定了其力学、化学和电子性质，如比表面积高、热稳定性好、优良的导电性质，使其在气体吸附和存储、催化剂载体、药物载体、气体传感器、生物传感器和电化学储能等方面具有广泛的应用。碳纳米角的制备过程中不需催化剂，因此，可避免金属杂质带来的干扰。同时，合成后不需采用强酸纯化，可避免强酸对碳纳米角结构的破坏。

由于碳纳米材料结构比较完整，活性位点较少，因此，大大限制了碳纳米材料的水溶性，生物相容性和反应活性。但可通过化学掺杂改变碳纳米材料的化学、催化、电子性能。一种方法是在材料的表面吸附上气体、金属或有机分子，另一种方法是向材料的结构中引入杂原子，常用硼或氮原子进行掺杂。由于硼的外层电子比碳少一个，硼取代碳后会产生空穴，相反，氮取代碳原子后会多出电子。氮原子能够以吡咯氮、吡啶氮、石墨氮的方式进行掺杂。

掺杂的碳材料在催化反应中有广泛的应用。Kim等人发现石墨氮的引入使碳纳米材料的活性显著提高，推测该结构不仅加速了电子传输速率，而且对于按照四电子途径进行的催化反应提供更大可能(Kim, H, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 13.39(2011):17505.)。Liu课题组同样由实验结果证实，电催化活性的提升归因于高度石墨化的结构和石墨化氮含量的提高(Liu, R, et al. Angew. Chem. Int. Edit. 49.14(2010):2565.)。Lai等人通过在氨气下对还原的碳纳米材料-含氮高分子进行退火处理得到氮掺杂碳材料，研究表明催化活性与石墨氮含量相关，其含量升高有利于提高极限扩散电流(Lai,L, et al. Energy. Environ. Sci. 5.7(2012): 7936.)。此类研究表明，石墨氮为电催化提供活性位点。因此，对碳纳米材料进行氮掺杂可使材料的结构变得无序。同时，氮的引入能过改变材料的局部电荷密度，产生更多的活性位点，由掺杂引起的缺陷能提高材料的活性，这对于催化反应意义重大。

尽管掺氮石墨烯与掺氮碳纳米管已被制备出并在催化领域广泛应用，但至今无掺氮碳纳米角被制备的报道；该方法从技术上解决了碳纳米角掺氮的技术难题。

发明内容

本发明提供了一种电弧法制备氮掺杂碳纳米角的方法，解决了碳纳米角难掺杂的技术难题，使得掺杂碳纳米角制备操作方便、工艺简单、安全可靠、成本低廉。

为了实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

（1）添加氮源：按氮源与石墨粉质量比为1:1~10:1的比例将氮源与石墨粉混匀，然后加入粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF），再加入溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP），使上述几种物质混合均匀得到粘稠状混合物；然后将上述粘稠状混合物放入已钻好孔的石墨棒中，最后将上述石墨棒放入干燥箱中干燥；

（2）采用直流电弧法制备掺氮碳纳米角：用纯石墨棒为阴极，用步骤（1）得到的装有氮源的石墨棒为阳极，且阴极和阳极竖直放置，电弧炉抽真空后，充入缓冲气体并启动电弧，反应结束后，收集反应腔内壁沉积物即得到掺氮碳纳米角。