一种氮掺杂碳纳米管阵列的制备方法

摘要

本发明属于功能性材料领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管阵列的制备方法。本发明通过离子交换法制得以蛭石为载体，铁、钼金属为活性组分的催化剂前驱体，再在800℃下煅烧，得到铁/钼/蛭石催化剂，以三聚氰胺作为唯一碳源和氮源，同铁/钼/蛭石催化剂，通过水平化学气相沉积法，于700‑900℃温度范围、70sccm氢气气氛条件下，在管式炉内煅烧20分钟，在30sccm氢气气氛中冷却至室温，得到垂直生长在蛭石层间的掺氮碳纳米管阵列。本发明研究了生长温度对碳纳米管形态的影响，并为合成高产量形态可控的氮掺杂碳纳米管提供了一种新的方法。

说明书

技术领域

本发明属于功能性材料领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管阵列的制备方法。

背景技术

自1991年被发现以来，碳纳米管(CNT)由于其优异的物理和化学性能而被广泛研究，并常用于能量存储和能量转换设备，电子传输设备，场发射显示器和半导体材料中。然而，不论应用前景多么广泛，应用规模主要取决于CNT的质量，产量和成本，否则所有应用价值都无从谈起。一般而言，在无序堆积的催化剂上生长的CNT会发生严重的缠结和无序排列，这使分散和加工应用变得困难。与缠结的CNT相比，CNT阵列在特定条件下具有显著的垂直取向和平行排列形态，具有相对均匀的长宽比，更好的有序性和更高的纯度，这有利于发挥其优异的性能。此外，即使阵列中的CNT被破坏，将其应用于电导率，热导率，复合材料改性等领域，仍表现出比聚集无序的CNT更好的优越性能。因此，垂直排列的碳纳米管阵列由于其优异的性能而受到广泛关注，并在许多领域具有广阔的应用前景。另一方面，通过掺杂其他元素可以有效改变CNT的化学性质，其中氮是碳材料中重要的表面改性元素，可以改善CNT的机械性能，储能性能和导电性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂碳纳米管阵列的制备方法，利用三聚氰胺作为碳源和氮源，蛭石作为催化剂载体和碳纳米管生长基底，获得了排列整齐的氮掺杂碳纳米管阵列，具有良好的应用前景。

为解决上述问题，本发明提供一种氮掺杂碳纳米管阵列的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)催化剂的制备：使用粒径为4-8mm的蛭石，与蒸馏水混合，形成悬浊液，在100℃下浸泡6小时，随后，混合酸溶液硝酸铁，钼酸铵和蛭石混合形成悬浮液，在这个过程中蛭石层间进行离子交换，将Ca

(2)掺氮碳纳米管阵列的制备：将0.05g催化剂和0.3g三聚氰胺置于外径30毫米，内径26毫米的石英船的两端，放置在石英管的加热区域外和进气口的方向，在反应之前，通入99.99％的氢气排出反应装置内的空气，然后加热反应器，在温度达到规定温度前2分钟，移动石英管，使石英船位于加热区中心，在氢气气氛中热解20分钟，然后，冷却至室温，得到排列整齐的掺氮碳纳米管阵列。

优选的，所述步骤(1)中混合酸硝酸铁、钼酸铵和蛭石的质量比为7：2：35。

优选的，所述步骤(1)中煅烧温度为800℃，时间为2小时。

优选的，所述步骤(2)中热解氢气流速为70sccm，热解温度范围为700-900℃，冷却时氢气流速为30sccm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明制备工艺简单，耗能低，产物纯度高，可大规模生产；

(2)本发明所制备的氮掺杂碳纳米管具有生长排列整齐，高质量，产量大等优点；

(3)本发明采用的蛭石具有优异的离子交换性能和层状结构，可同时作为良好的催化剂载体和碳纳米管生长基底；

(4)本发明通过调节温度，研究温度对碳纳米管生长的影响，并控制氮掺杂含量和生长形貌；

(5)本发明得到的氮掺杂碳纳米材料可以直接用来进行物理特性检测，并运用到能源相关产品中。

附图说明

图1为本发明制备氮掺杂碳纳米管阵列的实验装置图；

图2为本发明实施例1制备的氮掺杂碳纳米管阵列的场发射扫描电镜图；

图3为本发明实施例2制备的氮掺杂碳纳米管阵列的场发射扫描电镜图；

图4为本发明实施例3制备的氮掺杂碳纳米管阵列的场发射扫描电镜图；

图5为本发明实施例1制备的氮掺杂碳纳米管阵列的透射电镜图；

图6为本发明实施例2制备的氮掺杂碳纳米管阵列的透射电镜图；

图7为本发明实施例3制备的氮掺杂碳纳米管阵列的透射电镜图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

制备氮掺杂碳纳米管阵列

第一步，制备催化剂

使用粒径为4-8mm的蛭石，与蒸馏水混合，形成悬浊液，在100℃下浸泡6小时。随后，混合酸溶液硝酸铁(Fe(NO

第二步，制备氮掺杂碳纳米管

使用实验装置如图1所示，催化剂(0.05g)和三聚氰胺(0.3g)置于石英船的两端(外径30毫米,内径26毫米)，放置在石英管的加热区域外和进气口的方向。在反应之前，通入氢气(99.99％)排出反应装置内的空气，然后加热反应器同时通入流速70sccm的氢气。在温度达到规定温度前2分钟，移动石英管，使石英船位于加热区中心，整个反应在700℃温度下热解20分钟。然后，冷却至室温。得到排列整齐的掺氮碳纳米管阵列。

实施例2

制备氮掺杂碳纳米管阵列

按实施例1中的制备方法，不同的是第二步热解温度为800℃。

实施例3

制备氮掺杂碳纳米管阵列

按实施例1中的制备方法，不同的是第二步热解温度为900℃。

根据实施例1，实施例2和实施例3方法制备的氮掺杂碳纳米管阵列的场发射扫描电镜图和透射电镜图如图2-7所示。