一种氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳纳米纤维的制备方法，包括步骤：（1）材料前驱体制备与高温碳化；（2）氮掺杂碳纳米纤维制备。本发明专利技术以镍盐和钴盐作为催化剂，以葡萄糖作为碳源，以三聚氰胺和双氰胺作为氮源，将它们的混合物通过简单的高温热解，制备出氮掺杂的碳纳米纤维。这种碳纳米纤维的管径小，并且在高温热解形成碳纳米纤维的同时，氮也掺杂进入碳结构内部。这种氮掺杂的碳纳米纤维作为电化学超级电容器的电极材料具有优异的性质，并且它的制备过程简单，操作容易；使用的原料成本低，容易获得。本发明专利技术的制备氮掺杂的碳纳米纤维的方法不仅可用于实验室研究，也可用于工业上大规模生产，具有重要的研究与应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用
本专利技术属于新型碳材料
，具体涉及到一种氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法。
技术介绍
碳纳米纤维（carbonnano-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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种氮掺杂碳纳米纤维，本专利技术的目的还提供了一种氮掺杂碳纳米纤维的制备方法。本专利技术的实施方案为：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80OC水浴中真空加热，除去水份，将得到的固体于40OC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4oCmin-1的升温速度加热到550OC，并保持该温度一定时间；随后以2oCmin-1的升温速度继续升温到820OC，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2molL-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；所述镍盐为醋酸镍（Ni(CH3COO)2×4H2O）、硝酸镍(Ni(NO3)2×6H2O)或氯化镍(NiCl2×6H2O)。所述钴盐为醋酸钴（Co(CH3COO)2×4H2O）、硝酸钴(Co(NO3)2×6H2O)或氯化钴(CoCl2×6H2O)。所述混合盐中，镍盐与钴盐的质量比为（1~100）：（0.1~50）。一种根据所述的制备方法制备的氮掺杂碳纳米纤维。根据所述的制备方法制备的氮掺杂碳纳米纤维在电极方面的应用。（4）在通常的三电极体系中，于不同的电解质溶液中测定产物的电化学电容特性。将所述氮掺杂碳纳米纤维与无水乙醇混合，加入质量百分比为5%的Nafion溶液，然后将混合物超声处理后形成糊状物，最后将该糊状物涂在碳纸表面，干燥后作为工作电极，以铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用常用的循环伏安技术或循环充放电技术,在中性电解质溶液中测定所得的氮掺杂碳纳米纤维的电容特性。所述中性电解质溶液为0.1molL-1的K2SO4,或0.1molL-1的KNO3;本专利技术使用镍盐和钴盐作为催化剂，以葡萄糖作为碳源，以三聚氰胺和双氰胺作为氮源，将它们的混合物通过简单的高温热解，制备出氮掺杂的碳纳米纤维。碳材料经过氮掺杂后，它的各种物理化学性能均得到极大改善。这种碳纳米纤维的管径小，并且在高温热解形成碳纳米纤维的同时，氮也掺杂进入碳结构内部。这种氮掺杂的碳纳米纤维作为电化学超级电容器的电极材料具有优异的性质，并且它的制备过程简单，操作容易；使用的原料成本低，容易获得。本专利技术的制备氮掺杂的碳纳米纤维的方法不仅可用于实验室研究，也可用于工业上大规模生产，具有重要的研究与应用价值。具体实施方式实施例1：（1）材料前驱体制备将1g醋酸镍Ni(CH3COO)2×4H2O）、1g葡萄糖、5g三聚氰胺和10g双氰胺加入到80mL去离子水中，在室温下充分搅拌，形成均匀分散液；随后，将该分散液转入旋转蒸发仪中，在80OC水浴中真空加热，除去水份，得到的固体再置于真空干燥箱内，在40OC下干燥24小时，得到的固体为材料前驱体。（2）材料前驱体高温碳化制备将上述材料前驱体转入管式炉中，在氮气气氛下，以4oCmin-1的升温速度加热到550OC，并在此温度下保持2.5小时；随后以2oCmin-1的升温速度继续升温到820OC，并在此温度下保持2小时；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2molL-1的H2SO4中，于室温下缓慢搅拌3小时，之后过滤，用大量纯水洗至中性，最后用无水乙醇洗三次，将得到的固体放于真空干燥箱内，于400C下干燥24小时，得到氮掺杂碳纳米纤维，它的管径为30~35nm，长度为4~4.5mm。（4）氮掺杂碳纳米纤维的比电容测试过程：在通常的三电极体系中，于不同的电解质溶液中测定产物的电化学电容特性。将所述氮掺杂碳纳米纤维与无水乙醇混合，加入质量百分比为5%的Nafion溶液，然后将混合物超声处理后形成糊状物，最后将该糊状物涂在玻碳电极表面，干燥后作为工作电极，以铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用常用的循环伏安技术或循环充放电技术,在中性电解质溶液中测定所得的氮掺杂碳纳米纤维的电容特性。氮掺杂碳纳米纤维的比电容测试结果：在0.1molL-1的K2SO4溶液中，电流为0.1Ag-1时的比电容为310Fg-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂碳纳米纤维的制备方法，其特征是，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

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳纳米纤维的制备方法，其特征是，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80OC水浴中真空加热，除去水份，将得到的固体于40OC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；所述混合盐中，镍盐与钴盐的质量比为（1~100）：（0.1~50）；（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4oCmin-1的升温速度加热到550OC，并保持该温度一定时间；随后以2oCmin-1的升温速度继续升温到820OC，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：易清风，余亮，李广，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43