一种制备氮掺杂碳纳米管的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用氮源制备含氮复合导电材料的制备技术，特别是一种制备氮掺杂碳纳米管的方法。
【背景技术】
[0002]在众多导电碳材料中，碳纳米管(carbon nanotube;CNT)因其具有独特的纳米结构和优良的导电性能以及可以在三维空间形成网状结构，近年来被广泛用来改善L1-S电池电极材料的电化学性能。为了解决锂硫电池遇到的循环性能差和电池库仑效率的低的难题，科研人员将不同种类的导电碳材料与硫复合，期望能够提高L1-S电池的电化学性能。但是在这些复合材料中仍存在不足，在电池循环过程中，CNT不能有效地抑制5?2—的流失，导致电池循环性能的下降。为了避免在充放电过程中多硫聚合物过多的溶解在电解液中，最好的办法是对CNT-S纳米复合材料进行掺杂，但是通常的掺杂方法仅仅局限于常用的几种氮源(尿素、水合肼)。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是针对以上所需氮源的局限性，选用一种含硫氮源作为氮源，成功将其中的氮元素掺进碳纳米管(CNT)中。电化学测试结果表明氮掺杂在整体上提高了复合材料电极的放电比容量、循环性能和倍率性能。
[0004]该方案的原理如下，实验条件将混合物先经强酸处理后，只需满足在650?850°C的高温条件，使得含硫氮源中的C-N单键发生断裂，使氮原子成功地掺进碳纳米管(CNT)的网状结构。
[0005]具体步骤为:
(I)将70?10mg含硫氮源与350?500mg碳纳米管(CNT)混合放入研钵中充分研磨50?60分钟。
[0006](2)将体积比为1:4-1:2的浓H2SO4与浓HNO3混合。
[0007](3)将步骤(I)所得物放入步骤(2)所得物中温和超声24?72小时，用去离子水稀释，并通过0.22?0.45微米微孔膜过滤除杂。
[0008](4)将步骤(3)所得物重新分散在去离子水中并用碱性溶液将pH值调至中性，随后在60°C的烘箱中烘干。
[0009](5)将步骤(4)所得物置于惰性气体气氛的石英管中烧至650?850°C，保持10?20小时，使得N充分的扩散到碳纳米管的空隙中去，待温度降至室温，得到氮掺杂碳纳米管。
[0010]所述含硫氮源为噻唑、噻二唑、苯并噻二唑、二巯基噻二唑和咔唑中的一种。
[0011 ] 所述碱性溶液为Na0H、K0H和氨水中的一种。
[0012 ]所述惰性气体为氮气、氩气、氦气和氖气中的一种。
[0013]本发明克服了仅仅局限于常用的两种氮源(尿素、水合肼)的缺点，工艺简单、成本较低、化学组分易于控制，很好地提高碳纳米管的电导率，使氮很好的掺进碳纳米管中，使碳纳米管的导电性能得到改善。
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例1制得的氮掺杂碳纳米管(NCNTM^SEM图谱。
[0015]图2为本发明实施例1碳纳米管(CNT)与氮掺杂碳纳米管(NCNT)的XRD图。
【具体实施方式】
[0016]实施例1:
(I)将7100mg分析纯噻唑与500mg碳纳米管(CNT)混合放入研钵中充分研磨60分钟。
[0017](2)将体积比为1:2的市售浓H2SO4与市售浓HNO3混合。
[0018](3)将步骤(I)所得物放入步骤(2)所得物中温和超声24小时，用去离子水稀释，并通过0.22微米微孔膜过滤除杂。
[0019](4)将步骤(3)所得物重新分散在去离子水中并用分析纯NaOH将pH值调至中性，随后在60°C的烘箱中烘干。
[0020](5)将步骤(4)所得物置于氮气气氛的石英管中烧至700°C，保持18小时，使得N充分的扩散到碳纳米管(CNT)的空隙中去，待温度降至室温，得到氮掺杂碳纳米管，标记为:NCNTo
[0021]实施例2:
(I)将10mg噻二唑与350mg碳纳米管(CNT)混合放入研钵中充分研磨60分钟。
[0022](2)将体积比为1:4的市售浓H2SO4与市售浓HNO3混合。
[0023](3)将步骤(I)所得物放入步骤(2)所得物中温和超声48小时，用去离子水稀释，并通过0.45微米微孔膜过滤除杂.(4)将步骤(3)所得物重新分散在去离子水中并用分析纯KOH将pH值调至中性，随后在60°C的烘箱中烘干。
[0024](5)将步骤(4)所得物置于氩气气氛的石英管中烧至800°C，保持10小时，使得N充分的扩散到碳纳米管(CNT)的空隙中去，待温度降至室温，得到氮掺杂碳纳米管，标记为:NCNTo
【主权项】
1.一种制备氮掺杂碳纳米管的方法，其特征在于具体步骤为: (1)将70?10mg含硫氮源与350?500mg碳纳米管混合放入研钵中充分研磨50?60分钟； (2)将体积比为1:4?1:2的浓H2SO4与浓HNO3混合； (3)将步骤(I)所得物放入步骤(2)所得物中温和超声24?72小时，用去离子水稀释，并通过0.22-0.45微米微孔膜过滤除杂； (4)将步骤(3)所得物重新分散在去离子水中并用碱性溶液将pH值调至中性，随后在601的烘箱中烘干； (5)将步骤(4)所得物置于惰性气体气氛的石英管中烧至650?850°C，保持10?20小时，待温度降至室温，得到氮掺杂碳纳米管； 所述含硫氮源为噻唑、噻二唑、苯并噻二唑、二巯基噻二唑和咔唑中的一种； 所述碱性溶液为Na0H、K0H和氨水中的一种； 所述惰性气体为氮气、氩气、氦气和氖气中的一种。
【专利摘要】本发明公开了一种制备氮掺杂碳纳米管的方法。（1）将70~100mg含硫氮源与350~500mg碳纳米管混合放入研钵中充分研磨50~60分钟；（2）将体积比为1:4~1:2的浓H2SO4与浓HNO3混合；（3）将步骤（1）所得物放入步骤（2）所得物中温和超声24~72小时，用去离子水稀释，并通过0.22~0.45微米微孔膜过滤除杂；（4）将步骤（3）所得物重新分散在去离子水中并用碱性溶液将pH值调至中性，60℃烘干；（5）将步骤（4）所得物置于惰性气体气氛的石英管中烧至650~850℃，保持10~20小时，使N充分的扩散到碳纳米管的空隙中去，降至室温，得到氮掺杂碳纳米管。本发明工艺简单，成本低，很好地提高碳纳米管的电导率，使氮很好的掺进碳纳米管中，使碳纳米管的导电性能得到改善。
【IPC分类】H01M4/36, H01M4/38
【公开号】CN105514397
【申请号】CN201610117650
【发明人】肖剑荣, 王宏哲, 程勇, 李新宇, 马家锋, 蒋爱华
【申请人】桂林理工大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年3月2日