一种杂原子含量可控的双掺杂碳纳米管的制备方法与流程

本发明属于催化剂的制备
技术领域：
；具体涉及一种杂原子含量可控的双掺杂碳纳米管的制备方法。
背景技术：
：碳纳米管因其独特的导电性、较大的表面积、以及优异的化学和热稳定性等特点，在催化领域受到了研究者们的广泛关注。通常，由惰性sp2碳原子构成的纯碳纳米管不具有电催化活性，为了改善它的电催化能力，将非金属杂原子(如n、p、s、b等)引入到它的结构中，是一种常见而有效的策略。此外，由于不同类型杂原子之间存在协同效应，将两种不同类型的杂原子(n-s、n-p等)同时引入到碳纳米管的结构中，可以更加显著的提高碳纳米管的电催化活性。目前，杂原子掺杂碳纳米管的制备方式主要有两种：一、在含有杂原子的气氛中(如nh3、h2s等)对碳纳米管进行热处理；二、化学气相沉积(cvd)。前者通常需将碳纳米管置于开放式的瓷舟中进行，碳纳米管与气体分子之间的接触不均匀，因此该方法虽易于实现但难以控制杂原子的掺杂量，后者可以在一定程度上控制杂原子的掺杂量，但工艺复杂、设备昂贵且产率低。此外，上述两种方法的掺杂效率都较低(小于5at.%)。因此，寻求一种杂原子掺杂效率高、可控、成本低且易于实现的双掺杂碳纳米管的制备方法仍是目前亟待解决的重要问题。技术实现要素：为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种杂原子含量可控的双掺杂碳纳米管的制备方法，旨在解决现有双掺杂碳纳米管的制备方法中所存在的杂原子含量不可控、掺杂效率低、对设备要求高和生产成本昂贵等问题。本发明所述的一种双掺杂碳纳米管的制备方法是通过下述步骤实现的：步骤一、将碳纳米管和三聚硫氰酸加入到无水乙醇中，在10~30℃条件下超声振动1~3h，得到黑色混合物，然后用旋转蒸发仪除去混合物中的无水乙醇，得到碳纳米管和三聚硫氰酸的混合粉末；步骤二、将步骤一所得的混合粉末，填装到延缓热解气扩散反应管中，在800~1000℃氮气气氛条件下恒温煅烧2~4h，即得到双掺杂碳纳米管。所述的碳纳米管为羧酸化单壁碳纳米管或羧酸化多壁碳纳米管。步骤一中所述碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比为1:(0.25~2.5):2。步骤二中所述延缓热解气扩散反应管由圆底石英管和石英棒两部分组成，其中圆底石英管的长度为10.00~15.00cm、外径为1.00~2.00cm、内径为0.80~1.80cm；石英棒的长度为10.00~15.00cm、直径为0.79~1.79cm；圆底石英管和石英棒具有相同的长度；圆底石英管的外径与内径的差值为0.20cm；圆底石英管的内径大于石英棒的直径且两者的间隙为0.01cm。所述双掺杂碳纳米管为氮硫双掺杂碳纳米管，其中氮的含量为1.01~10.32at.%；硫的含量为0.96~9.97at.%。与现有技术相比，本发明具有以下突出的优势：(1)本发明所述方法可实现杂原子在碳纳米管结构中的高效、可控掺杂。本发明所采用的延缓热解气扩散反应管能够有效阻碍由三聚硫氰酸分解所产生的气体的扩散，创造高浓度的局部气氛反应环境，促进碳纳米管与气体分子的接触，从而有效提高掺杂效率。同时，仅通过改变前驱体中碳纳米管和三聚硫氰酸的比例，即可合成具有特定氮和硫含量的氮硫双掺杂碳纳米管，有利于进一步探索杂原子含量对碳纳米管结构和理化性质的影响，可以满足不同领域(如燃料电池、超级电容器、电催化分解水等)对该类材料的需求。(2)本发明所述方法简便易行、对设备要求低。所述延缓热解气扩散反应管廉价易得，仅需使用少量的三聚硫氰酸，即可将氮和硫可控的引入到碳纳米管的结构中，整个过程无需使用有毒有害溶剂且废气排放量少。附图说明图1为具体实施方式一中所使用的延缓热解气扩散反应管的纵剖视图，图中：1为圆底石英管、2为石英棒、3反应区域；图2为具体实施方式一中制备的氮硫双掺杂碳纳米管的透射电子显微镜照片；图3为具体实施方式一中制备的氮硫双掺杂碳纳米管的拉曼光谱图；图4为具体实施方式一中制备的氮硫双掺杂碳纳米管的制氢性能曲线图(扫描速率为2mv/s，电解液为0.5mol/l的h2so4溶液)。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式中的一种氮硫双掺杂碳纳米管的制备方法是通过下述步骤实现的：步骤一、按照1:1.5:2的质量比称取羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇，将羧酸化多壁碳纳米管和三聚硫氰酸加入到无水乙醇中，在20℃条件下超声振动2h，得到黑色混合物，然后用旋转蒸发仪除去混合物中的无水乙醇，得到羧酸化多壁碳纳米管和三聚硫氰酸的混合粉末；步骤二、将步骤一所得的混合粉末，填装到延缓热解气扩散反应管中，在900℃氮气气氛条件下恒温煅烧3h，即得到双掺杂碳纳米管。本实施方式步骤一中羧酸化多壁碳纳米管的制备过程如下：将多壁碳纳米管加入事先混合并冷却至室温的混合酸液中(硫酸：硝酸＝3:1)，超声搅拌5h，将混合物缓慢倒入装有蒸馏水的烧杯中，冷却至室温，离心(离心速率为5000转/分钟)并蒸馏水洗至接近中性后，收集产物，90℃烘干，得到黑色固体即为羧酸化多壁碳纳米管。其中所述的多壁碳纳米管质量与浓硝酸和浓硫酸混酸溶液体积比为1g:100ml。本实施方式步骤二中延缓热解气扩散反应管由圆底石英管和石英棒两部分组成，其中圆底石英管的长度为12.50cm、外径为1.00cm、内径为0.80cm；石英棒的长度为12.50cm、直径为0.79cm。本实施方式所使用的延缓热解气扩散反应管的组成与结构如图1所示。使用时，先将石英棒2从圆底石英管1中取出，然后将样品填入反应区域3，最后将石英棒2重新插入到圆底石英管1中并使其底部与样品接触，水平放入气氛管式炉，即可。本实施方式中所得氮硫双掺杂碳纳米管，其透射电子显微镜照片如图2所示，可以看出它具有均匀的管状结构。进一步，通过拉曼光谱图(图3)可以看出，氮硫双掺杂碳纳米管的id/ig值大于0.5，说明氮和硫成功引入到了碳纳米管的晶格中。将1.0mg的本实施方式中所得氮硫双掺杂碳纳米管加入到200μl的无水乙醇当中并加入20μl质量分数为5%的nafion溶液，在超声频率为80khz的条件下超声振动30min，制成均匀的分散液，取30μl滴在玻碳电极上，待干燥后作为工作电极，并以石墨棒为对电极、饱和甘汞为参比电极，组成三电极体系，在0.5mol/l的h2so4溶液中，测试它的电催化析氢性能。结果表明本实施方式中所得氮硫双掺杂碳纳米管具有较高活性(图4)，在电流密度达到10macm−2时过电位仅为131mv(相对于可逆氢电极)，有望应用于实际的电催化分解水体系。采用下述试验验证发明效果：采用具体实施方式一的方法进行试验。除羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比不同外，其他的反应条件和参数与具体实施方式一均相同。采用元素分析技术确定氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量，结果见表1：表1：羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比与最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比氮硫双掺杂碳纳米管中氮的含量(at.%)氮硫双掺杂碳纳米管中硫的含量(at.%)1:0.25:21.010.961:0.5:22.111.971:1:24.033.881:1.5:26.066.011:2:28.097.931:2.5:210.119.95由表1可知，通过调变羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比可以控制最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的氮和硫的含量，且氮的含量为1.01~10.11at.%、硫的含量为0.96~9.95at.%。具体实施方式二：本实施方式中的一种氮硫双掺杂碳纳米管的制备方法是通过下述步骤实现的：步骤一、按照1:1:2的质量比称取羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇，将羧酸化单壁碳纳米管和三聚硫氰酸加入到无水乙醇中，在25℃条件下超声振动3h，得到黑色混合物，然后用旋转蒸发仪除去混合物中的无水乙醇，得到羧酸化单壁碳纳米管和三聚硫氰酸的混合粉末；步骤二、将步骤一所得的混合粉末，填装到延缓热解气扩散反应管中，在950℃氮气气氛条件下恒温煅烧3h，即得到双掺杂碳纳米管。本实施方式中按具体实施方式一的方法制备羧酸化单壁碳纳米管。本实施方式步骤二中延缓热解气扩散反应管由圆底石英管和石英棒两部分组成，其中圆底石英管的长度为12.50cm、外径为1.00cm、内径为0.80cm；石英棒的长度为12.50cm、直径为0.79cm。采用下述试验验证发明效果：采用具体实施方式二的方法进行试验。除羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比不同外，其他的反应条件和参数与具体实施方式二均相同。采用元素分析技术确定氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量，结果见表2：表2：羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比与最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比氮硫双掺杂碳纳米管中氮的含量(at.%)氮硫双掺杂碳纳米管中硫的含量(at.%)1:0.25:21.030.981:0.5:22.052.011:1:24.113.991:1.5:26.035.981:2:28.138.011:2.5:210.329.97由表2可知，通过调变羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比可以控制最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的氮和硫的含量，且氮的含量为1.03~10.32at.%、硫的含量为0.98~9.97at.%。具体实施方式三：本实施方式中的一种氮硫双掺杂碳纳米管的制备方法是通过下述步骤实现的：步骤一、按照1:0.25:2的质量比称取羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇，将羧酸化多壁碳纳米管和三聚硫氰酸加入到无水乙醇中，在10℃条件下超声振动1h，得到黑色混合物，然后用旋转蒸发仪除去混合物中的无水乙醇，得到羧酸化多壁碳纳米管和三聚硫氰酸的混合粉末；步骤二、将步骤一所得的混合粉末，填装到延缓热解气扩散反应管中，在800℃氮气气氛条件下恒温煅烧2h，即得到双掺杂碳纳米管。本实施方式中按具体实施方式一的方法制备羧酸化多壁碳纳米管。本实施方式步骤二中延缓热解气扩散反应管由圆底石英管和石英棒两部分组成，其中圆底石英管的长度为10.00cm、外径为1.50cm、内径为1.30cm；石英棒的长度为10.00cm、直径为1.29cm。采用下述试验验证发明效果：采用具体实施方式三的方法进行试验。除羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比不同外，其他的反应条件和参数与具体实施方式三均相同。采用元素分析技术确定氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量，结果见表3：表3：羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比与最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比氮硫双掺杂碳纳米管中氮的含量(at.%)氮硫双掺杂碳纳米管中硫的含量(at.%)1:0.25:21.050.991:0.5:22.041.971:1:24.134.011:1.5:26.076.021:2:28.118.051:2.5:210.229.92由表3可知，通过调变羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比可以控制最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的氮和硫的含量，且氮的含量为1.05~10.22at.%、硫的含量为0.99~9.92at.%。具体实施方式四：本实施方式中的一种氮硫双掺杂碳纳米管的制备方法是通过下述步骤实现的：步骤一、按照1:2.5:2的质量比称取羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇，将羧酸化多壁碳纳米管和三聚硫氰酸加入到无水乙醇中，在30℃条件下超声振动3h，得到黑色混合物，然后用旋转蒸发仪除去混合物中的无水乙醇，得到羧酸化多壁碳纳米管和三聚硫氰酸的混合粉末；步骤二、将步骤一所得的混合粉末，填装到延缓热解气扩散反应管中，在1000℃氮气气氛条件下恒温煅烧4h，即得到双掺杂碳纳米管。本实施方式中按具体实施方式一的方法制备羧酸化多壁碳纳米管。本实施方式步骤二中延缓热解气扩散反应管由圆底石英管和石英棒两部分组成，其中圆底石英管的长度为15.00cm、外径为2.00cm、内径为1.80cm；石英棒的长度为15.00cm、直径为1.79cm。采用下述试验验证发明效果：采用具体实施方式四的方法进行试验。除羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比不同外，其他的反应条件和参数与具体实施方式四均相同。采用元素分析技术确定氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量，结果见表4：表4：羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比与最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比氮硫双掺杂碳纳米管中氮的含量(at.%)氮硫双掺杂碳纳米管中硫的含量(at.%)1:0.25:21.051.011:0.5:22.031.991:1:24.013.981:1.5:26.146.071:2:28.078.061:2.5:210.139.97由表4可知，通过调变羧酸化多壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比可以控制最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的氮和硫的含量，且氮的含量为1.05~10.13at.%、硫的含量为1.01~9.97at.%。具体实施方式五：本实施方式中的一种氮硫双掺杂碳纳米管的制备方法是通过下述步骤实现的：步骤一、按照1:0.25:2的质量比称取羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇，将羧酸化单壁碳纳米管和三聚硫氰酸加入到无水乙醇中，在10℃条件下超声振动1h，得到黑色混合物，然后用旋转蒸发仪除去混合物中的无水乙醇，得到羧酸化单壁碳纳米管和三聚硫氰酸的混合粉末；步骤二、将步骤一所得的混合粉末，填装到延缓热解气扩散反应管中，在800℃氮气气氛条件下恒温煅烧2h，即得到双掺杂碳纳米管。本实施方式中按具体实施方式一的方法制备羧酸化单壁碳纳米管。本实施方式步骤二中延缓热解气扩散反应管由圆底石英管和石英棒两部分组成，其中圆底石英管的长度为10.00cm、外径为1.50cm、内径为1.30cm；石英棒的长度为10.00cm、直径为1.29cm。采用下述试验验证发明效果：采用具体实施方式五的方法进行试验。除羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比不同外，其他的反应条件和参数与具体实施方式五均相同。采用元素分析技术确定氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量，结果见表5：表5：羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比与最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比氮硫双掺杂碳纳米管中氮的含量(at.%)氮硫双掺杂碳纳米管中硫的含量(at.%)1:0.25:21.091.021:0.5:22.082.031:1:24.093.991:1.5:26.126.041:2:28.068.011:2.5:210.099.93由表5可知，通过调变羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比可以控制最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的氮和硫的含量，且氮的含量为1.09~10.09at.%、硫的含量为1.02~9.93at.%。具体实施方式六：本实施方式中的一种氮硫双掺杂碳纳米管的制备方法是通过下述步骤实现的：步骤一、按照1:2.5:2的质量比称取羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇，将羧酸化单壁碳纳米管和三聚硫氰酸加入到无水乙醇中，在30℃条件下超声振动3h，得到黑色混合物，然后用旋转蒸发仪除去混合物中的无水乙醇，得到羧酸化单壁碳纳米管和三聚硫氰酸的混合粉末；步骤二、将步骤一所得的混合粉末，填装到延缓热解气扩散反应管中，在1000℃氮气气氛条件下恒温煅烧4h，即得到双掺杂碳纳米管。本实施方式中按具体实施方式一的方法制备羧酸化单壁碳纳米管。本实施方式步骤二中延缓热解气扩散反应管由圆底石英管和石英棒两部分组成，其中圆底石英管的长度为15.00cm、外径为2.00cm、内径为1.80cm；石英棒的长度为15.00cm、直径为1.79cm。采用下述试验验证发明效果：采用具体实施方式六的方法进行试验。除羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比不同外，其他的反应条件和参数与具体实施方式六均相同。采用元素分析技术确定氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量，结果见表6：表6：羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比与最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的杂原子含量羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比氮硫双掺杂碳纳米管中氮的含量(at.%)氮硫双掺杂碳纳米管中硫的含量(at.%)1:0.25:21.021.001:0.5:22.112.011:1:24.074.031:1.5:26.096.021:2:28.017.951:2.5:210.079.99由表6可知，通过调变羧酸化单壁碳纳米管、三聚硫氰酸和无水乙醇的质量比可以控制最终获得的氮硫双掺杂碳纳米管中的氮和硫的含量，且氮的含量为1.02~10.07at.%、硫的含量为1.00~9.99at.%。当前第1页12