一种掺氮碳纳米角的制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108190863A(43)申请公布日2018.06.22(21)申请号201810174892.5(22)申请日2018.03.02(71)申请人昆明理工大学地址650093云南省昆明市五华区学府路253号(72)发明人梁风张达戴永年马文会杨斌姚耀春(51)Int.Cl.C01B32/18(2017.01)权利要求书1页说明书5页附图7页(54)发明名称一种掺氮碳纳米角的制备方法(57)摘要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。CN108190863ACN108190863A权利要求书1/1页1.一种掺氮碳纳米角的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（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，再加入溶剂N-甲基吡咯烷酮，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。2.根据权利要求1所述掺氮碳纳米角的制备方法，其特征在于：聚偏氟乙烯的加入量为氮源与石墨粉混合物总质量的10%。3.根据权利要求1所述掺氮碳纳米角的制备方法，其特征在于：N-甲基吡咯烷酮的加入量为每1mg氮源与石墨粉的混合物中加入0.01~0.03ml的N-甲基吡咯烷酮。4.根据权利要求1所述掺氮碳纳米角的制备方法，其特征在于：所述氮源为三聚氰胺、戊四唑、5-甲基四唑、2-(1-四唑基)苄胺、2-(5-四唑基)乙胺、吡嗪、咪唑、吡唑、咪唑啉、四氮唑中的一种。5.根据权利要求1所述掺氮碳纳米角的制备方法，其特征在于：所述石墨棒纯度≥99.99%，且阴极石墨棒靠近阳极一端为锥形，棒的直径为10mm~60mm，两极之间间距为1～5mm。6.根据权利要求1所述掺氮碳纳米角的制备方法，其特征在于：所述电弧放电电流为100～250A，电弧放电时间为5～60min。7.根据权利要求1所述掺氮碳纳米角的制备方法，其特征在于：所述缓冲气体为氮气、氮气与氦气的混合气体或者氮气与氩气的混合气体，且气体压力为40～80KPa，氮气与氦气或者氮气与氩气的体积比为3:1～1:3。8.根据权利要求1所述掺氮碳纳米角的制备方法，其特征在于：电弧炉抽真空后真空度≤3Pa。2CN108190863A说明书1/5页一种掺氮碳纳米角的制备方法技术领域[0001]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[0002]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。[0003]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。[0004]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,etal.Phys.Chem.Chem.Phys.13.39(2011):17505.)