一种冷等离子体氮掺杂多壁碳纳米管的制备方法与流程

本发明涉及一种冷等离子体氮掺杂多壁碳纳米管的制备方法。

背景技术：

碳纳米管具有机械强度高、比表面积大、电导率高和化学稳定性好等优点，广泛应用于各个领域（Chem. Rev. 2015; 115: 5159-5223.）。 但是多壁碳纳米管表面惰性使其在很多应用方面受到限制，对其进行功能化，如杂原子掺杂、表面活性剂或聚合物修饰都可以活化碳纳米管表面。

杂原子掺杂是一种很普遍的方法，一方面杂原子可以改善多壁碳纳米管的电导率及其润湿性能，另一方面可以提高和其他物质之间的相互作用力（Angew. Chem., 2012, 124, 11664 –11668.）。其中，氮掺杂的多壁碳纳米管不但在上述性质方面得以改善，还可以提高超级电容器材料的赝电容及氧还原催化活性（RSC Adv.,2015,5, 16433–16438;Electrochim Acta, 2014,138，318-324）。

通过化学气相沉积或电弧放电等方式可以原位制备氮掺杂多壁碳纳米管，但是然CVD法成本高，产量少（Carbon,2010,48:1498-1507.）；热处理含氮的高分子或者生物质材料可以制备氮掺杂多壁碳纳米管，但其中活性炭成分高，电导率低（Carbon 2012;50:3915-3927.）。因此，采用低能耗、易操作、环境友好的氮掺杂多孔石墨烯的制备方法仍有待探索。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种冷等离子体氮掺杂多壁碳纳米管的制备方法。

具体步骤为：

(1) 将1 g市售多壁碳纳米管置于100 mL市售浓硫酸中，并进行搅拌氧化处理，搅拌温度为30℃～60℃，搅拌时间为2 ～5小时，得氧化多壁碳纳米管；

(2) 将步骤（1）得到的氧化多壁碳纳米管置于坩埚中，置于微波炉中微波处理，微波功率为500 W～900 W，微波时间为3 s～ 12 s；

(3) 将步骤（2）得到的多壁碳纳米管置于N₂、NH₃或空气气氛冷等离子体发生装置中进行氮掺杂处理，气体流量为1 L/min～5 L/min,冷等离子体处理功率为10 W～40 W，冷等离子体处理时间为10～ 60 分钟，得到氮掺杂多壁碳纳米管。

本发明特点在于对氧化法得到的酸化碳纳米管进行微波处理得到活化的多壁碳纳米管，并以N₂、NH₃或空气气氛为氮源，通过冷等离子体法进行掺氮处理，无需后续清洗干燥过程，得到的产物结构稳定性好，氮掺杂量高。

附图说明

图1为本发明实施例1氮掺杂多壁碳纳米管的SEM图。

图2为本发明实施例1氮掺杂多壁碳纳米管的XPS图。

图3为本发明实施例2氮掺杂多壁碳纳米管的TEM图。

具体实施方式

实施例1：

（1）将1 g市售多壁碳纳米管置于100 mL浓硫酸，并进行搅拌氧化处理，在30 ℃下搅拌氧化处理5小时，得氧化多壁碳纳米管。

(2)将步骤（1）得到的氧化多壁碳纳米管置于坩埚中，并将其置于微波炉中以800 W的功率微波处理5 s。

(3)将步骤（2）得到的多壁碳纳米管置于N₂气氛冷等离子体发生装置中，气体流量为5 L/min,以30 W进行氮掺杂处理60 分钟，得到氮掺杂多壁碳纳米管。

实施例2：

（1）将1 g市售多壁碳纳米管置于100 mL市售浓硫酸中，并进行搅拌氧化处理，在60 ℃下搅拌氧化处理2小时，得氧化多壁碳纳米管。

(2)将步骤（1）得到的氧化多壁碳纳米管置于坩埚中，并将其置于微波炉中以900 W的功率微波处理10 s。

(3) 将步骤（2）得到的多壁碳纳米管置于N₂气氛冷等离子体发生装置中，气体流量为2 L/min,以40 W进行氮掺杂处理15分钟，得到氮掺杂多壁碳纳米管。

实施例3:

(1)将1 g市售多壁碳纳米管置于100 mL市售浓硫酸中，并进行搅拌氧化处理，在40℃下搅拌氧化处理4小时，得氧化多壁碳纳米管。

(2) 将步骤（1）得到的得氧化多壁碳纳米管置于坩埚中，并将其置于微波炉中以700 W的功率微波处理10 s。

(3) 将步骤（2）得到的多壁碳纳米管置于N₂气氛冷等离子体发生装置中，气体流量为2 L/min,以40 W进行氮掺杂处理45分钟，得到氮掺杂多壁碳纳米管。

实施例4：

（1）将1 g市售多壁碳纳米管置于100 mL市售浓硫酸中，并进行搅拌氧化处理，在50 ℃下搅拌氧化处理2小时，得氧化多壁碳纳米管。

(2) 将步骤（1）得到的多壁碳纳米管置于坩埚中，并将其置于微波炉中以600 W的功率微波处理11 s。

(3) 将步骤（2）得到的多壁碳纳米管置于N₂气氛冷等离子体发生装置中，气体流量为5 L/min,以30 W进行氮掺杂处理30分钟，得到氮掺杂多壁碳纳米管。

实施例5:

(1)将1 g市售多壁碳纳米管置于100 mL市售浓硫酸中，并进行搅拌氧化处理，在40℃下搅拌氧化处理3小时，得氧化多壁碳纳米管。

(2) 将步骤（1）得到的氧化多壁碳纳米管置于坩埚中，将其置于微波炉中以800 W的功率微波处理9 s。

(3) 将步骤（2）得到的多壁碳纳米管置于N₂气氛冷等离子体发生装置中，气体流量为4 L/min,以18 W进行氮掺杂处理50分钟，得到氮掺杂多壁碳纳米管。