[发明专利]一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料及其制备方法，以镍泡沫作为催化剂基底和三聚氰胺作为碳氮源，通过一步CVD法，在较低温度及惰性气体和氢气的气氛下生长具有三维空间结构的高掺氮碳纳米管/石墨烯碳纳米材料。本发明制备工艺简单，耗能较低，原料成本低，可大规模生产；所制备的掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的掺杂氮不仅在碳骨架表面产生了更多的缺陷和活性中心，而且有效地改善了碳骨架的电子性质和表面润湿性，可以适用于许多能量转换和储能材料；并且所用的金属催化剂基底可以完全除去，不会对材料造成污染。

技术领域

本发明涉及功能性材料技术领域，具体为一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料及其制备方法。

背景技术

碳纳米管和石墨烯都属于新型碳纳米材料，因其独特的电学、热学、光学以及力学性能，自被发现以来，便受到了众多科研工作者的追捧。但是在实际的应用过程中，它们的性能往往不能完全的发挥出来，从而大大降低了它们的应用范围。这主要是由于石墨层间范德华力引起的不可避免的堆叠或者团聚引起。为了有效解决这个问题，由石墨烯和碳纳米管组合的三维碳材料成为新一轮的研究方向。此外，碳纳米材料的导电性能通过异原子掺杂的方法而得到显著的改变。尤其是氮掺杂碳纳米材料，因其独特的电化学性能和稳定性，在将来的储能、以及新能源领域将大有作为。

近年来三维碳纳米复合材料(碳纳米管/石墨烯、碳纳米纤维/石墨烯、碳纳米管/碳纳米纤维等)受到越来越多的重视。人们旨在通过构建三维纳米结构，一方面能够克服单一的碳纳米材料的缺点，另外能够协同整合不同维度的材料，从而产生新的物理化学性能。这类复合材料往往具有三维空间网络结构，并且这种独特的形貌赋予了它更加广泛地应用前景。与其他合成方法相比，CVD法能够成功制备出结构完整且互通的三维碳纳米材料且不需要用到有毒且污染环境的化学反应试剂和溶液。

本发明以价格低廉的三聚氰胺作为单一的碳氮源，镍泡沫作为生长催化基底，通过一步CVD法，在较低温度800℃下生长具有三维空间结构的高掺氮碳纳米管/石墨烯碳纳米材料，该材料有效地改善了碳骨架的电子性质和表面润湿性，可适用于多种能量转换和储能材料，对于设计新型三维空间结构纳米材料有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料及其制备方法，具有设备简单，操作简便，能耗低等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料，所述材料具有多个缺陷和活性中心，从而改善碳骨架的电子性质和表面润湿性。

优选地，所述材料由镍泡沫和三聚氰胺通过CVD法制得，所述镍泡沫为催化剂基底，所述三聚氰胺为碳氮源。

本发明还提供一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的其制备方法，包括如下步骤：

(1)将镍泡沫与三聚氰胺按照1：1～10的质量比混合，置于氢气氛围下，按照第一升温速率升温至600℃，然后按照第二升温速率升温至800℃，所述第一升温速率大于所述第二升温速率；

(2)然后在800℃和混合气体氛围的条件下，反应0.5h，所述混合气体包括体积比为5:1的惰性气体和氢气。

优选地，在所述步骤(1)之前还包括清洗过程，所述清洗过程包括以下步骤：将所述镍泡沫切割为长度为10mm的正方块，浸没于醋酸中超声10min，然后浸没于乙醇中超声10min，最后用氮气吹干镍泡沫表面残留的醋酸和乙醇。

优选地，在所述步骤(2)之后还包括步骤(3)，所述步骤(3)具体为：在30sccm惰性气体氛围下冷却至室温。

优选地，步骤(1)中所述第一升温速率为30℃/min，所述第二升温速率为20℃/min。