一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术制备工艺简单，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。

【技术实现步骤摘要】
一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料及其制备方法
本专利技术涉及功能性材料
，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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的技术方案如下：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。本专利技术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。优选地，所述步骤(1)的具体过程为：将镍泡沫与三聚氰胺按照1：1～10的质量比混合，置于管式炉内的石英舟中，通入氢气的同时，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℃。优选地，步骤(2)中所述惰性气体为氩气或氮气。优选地，所述步骤(2)的具体过程为：通入惰性气体的同时调整通入氢气的流量，使得惰性气体和氢气的流量比为5:1，反应0.5h。优选地，步骤(1)中所述氢气的流量为70sccm；步骤(2)中所述惰性气体的流量为50sccm。本专利技术具有以下有益的效果：(1)本专利技术制备工艺简单，耗能较低，原料成本低，且合成温度比传统的CVD法利用气态碳氮源生长石墨烯温度低，可大规模生产。(2)本专利技术所制备的掺氮三维碳纳米管/石墨烯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。(3)本专利技术采用调节各种实验参数如碳氮源与催化剂的质量比、生长时间等，能控制掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料上碳纳米管的稀疏和均匀程度。(4)本专利技术所用催化剂基底可以完全除去，不会对掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料造成污染。(5)本专利技术得到的掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料可以直接用来进行物理特性检测，并运用到各种应用相关产品中。附图说明图1为本专利技术制备掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的实验装置结构示意图；图2为实施例1制备的掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的场发射扫描电镜图(SEM图)；图3为实施例1制备的掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的扫描电镜图(SEM图)；图4为实施例1制备的掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的透射电镜图(TEM图)；图5为实施例2制备的掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的场发射扫描电镜图(SEM图)；图6为实施例3制备的掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的场发射扫描电镜图(SEM图)；图7为实施例4制备的碳纳米材料的场发射扫描电镜图(SEM图)。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术提供的一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料及其制备方法进行说明。下面实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述材料实际，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例1：制备掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料，所用实验装置如图1所示将1g镍泡沫规则的切割成10×10mm2的小方块，然后用镊子将镍泡沫夹好，放置到醋酸中至完全浸没，在超声仪器内超声10分钟后，再浸入到乙醇中，继续超声10分钟，最后用氮气吹干镍泡沫表面残留的醋酸和乙醇，清洗干净的镍泡沫作为催化剂基底；三聚氰胺作为碳氮源(前驱体)，5g三聚氰胺与预处理后的1g镍泡沫进行混合，然后将混合物放置在石英舟上，再将石英舟送入CVD管式炉的外径为30mm、内径为22mm的水平石英管中，CVD管式炉通入70sccm的氢气(99.99％)，CVD管式炉以30℃/min的升温速率从室温升至600℃，然后改变升温速率以20℃/min升至恒温生长温度800℃，保持CVD管式炉800℃，同时通入50sccm氩气并将氢气流量调整为10sccm，恒温生长0.5h后，停止通入氢气，CVD管式炉在30sccm氩气的气氛下冷却至室温，最后在石英舟内得到黑色产物；将黑色产物置于80℃的3mol/LHCl溶液中两天，以完全去除镍泡沫基底。所得掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的SEM图如图2所示，TEM图如图4所示，去除镍泡沫基底后的掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的SEM图为图3所示，经XPS测量，该材料的氮含量高达12.37％，并且在碳骨架表面产生了更多的缺陷和活性中心，从而有效地提高了碳骨架的电子性质和表面润湿性。实施例2：制备掺氮三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料，其特征在于，所述材料具有多个缺陷和活性中心。/n

【技术特征摘要】
1.一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料，其特征在于，所述材料具有多个缺陷和活性中心。


2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，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。


3.一种掺氮三维碳纳米管/石墨烯碳纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(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。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，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。


5.根据权利要求3所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴贵平，刘智，李华飞，曾哲灵，邓曙光，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36