CN109103028B - 一种碳包覆氮化碳纳米管及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳包覆氮化碳纳米管及其制备方法，具体为使用类石墨相氮化碳前驱体和碳源的混合物作为产物前驱体，通过一步焙烧的方法制备了碳包覆的氮化碳纳米管材料，并将其用作超级电容器电极材料进行电容性能测试。该方法制备的氮化碳呈现纳米管状结构，能明显增大材料比表面积，提高材料电容性能，且表面包覆的碳材料克服了氮化碳本身导电性较差的缺点。使得该材料相较于本体氮化碳电容能力有着明显提高，且在千次循环充放电过程中保持了优异的循环稳定性，制备简单，价格低廉，在电力存储、智能电网和新能源汽车等领域中都具有较好应用前景。

Description

一种碳包覆氮化碳纳米管及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于材料制备和超级电容器技术领域，具体涉及一种碳包覆氮化碳纳米管及其制备方法与应用。
技术背景
超级电容器作为一种新型储能元件，具有绿色、高效的优点。其兼具传统电池和电容器的优点，具有充电速率较快、功率和能量密度较高、稳定性好且使用寿命长等优点。超级电容器作为一种具有广阔发展前景的电存储元件，在能源存储、电力传输、航空航天、国家防卫等领域均有着极为广泛的应用，同时也是克服当今世界能源危机的理想储能装置之一。
氮化碳材料作为人们最早研究的一类化合物，其有着制备简单、地球元素含量丰富的特点。类石墨相氮化碳(g-C3N4)具有合适的能带结构和良好的物理化学稳定性，在生物、光催化、电子等很多领域都有着广阔的发展前景。其片层之间通过分子间作用力连接，呈现出一种类石墨堆叠结构，然而正是由于类石墨相氮化碳自身的紧密堆叠结构，导致材料的比表面积过小，电容性能不高，且材料本身的导电性相对较差，导致使用纯类石墨相氮化碳所制备的电容器电化学存储性能并不理想。
中国专利201610744968.4公开了一种使用氮化碳、碳材料和导电聚合物作为活性物质的超级电容器的制备方法。除了氮化碳本身的传统特征，其引入的碳材料本身性质稳定且具有较好导电性，在使用导电聚合物与氮化碳粘附之后，有效提高了氮化碳材料的电化学性能，这种方法制备的超级电容器具有良好的可逆性和电化学稳定性。尽管如此，其缺点在于该超级电容器制备过程较为复杂，所加入的导电聚合物价格较为昂贵，制备成本较高。
因此，开发出一种成本低廉、制备简单且同时具有优异电容性能和较好的循环稳定性的超级电容器电极材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳包覆的氮化碳纳米管材料，同时提供其制备方法与应用是本发明的又一发明目的。该制备方法简单、价格低廉且所制备的碳包覆的氮化碳纳米管材料具有优异的电容性能和较好的循环稳定性。
为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳包覆的氮化碳纳米管材料，所述氮化碳纳米管材料由类石墨相氮化碳前驱体与碳源作混合物作为产物前驱体通过一步焙烧得到。
所述类石墨相氮化碳前驱体为尿素、单氰胺、双氰胺、三聚氰胺和硫脲中的一种。
所述碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、抗坏血酸的一种。
所述的碳包覆的氮化碳纳米管材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将类石墨相氮化碳前驱体与碳源按质量比6g：(100～300)mg混合，加入10～15mL 去离子水，混合得到尿素与碳源的混合液，混合液于60～80℃下加热除去去离子水，保温2～ 3h后冷却至室温，得到针状晶体；
(2)将针状晶体包裹并于400～550℃下焙烧2～4h，同时持续通入保护气，焙烧结束后自然冷却至室温，即得碳包覆氮化碳纳米管材料。
步骤(2)中，所述保护气为惰性气体。
所述的碳包覆的氮化碳纳米管材料在超级电容器中的应用。
本发明通过一步法对尿素及碳源混合物进行焙烧，根据碳材料和氮化碳聚合进程的不同制备了碳材料包覆的氮化碳纳米管材料，所制备的材料呈现管状结构，使其比表面积有了显著提高，且外部包覆的碳材料具有导电作用，两者共同作用能够显著提升材料的电容性能；这种一步法制备碳包覆纳米管状氮化碳材料的制备方法简单，制备成本低廉。同时借助分子间氢键的连接作用，省去了氮化碳和碳材料之间传统导电聚合物的使用，进一步降低了电极材料制备成本，制备过程也更加绿色环保，所制备材料性能较好，有希望用于电极材料产业化进行大量生产。具体地，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、传统碳材料改性氮化碳作为电容器电极材料时，需要使用导电聚合物将碳材料和氮化碳进行粘附，以提高两种材料之间的连接能力，操作复杂且成本较高。本发明采用一步法即可直接使碳材料通过氢键与氮化碳相连接，操作简单且成本较低。使用材料均为常见化工原料，制备过程简单，价格低廉，同时节省了辅助材料导电聚合物的使用，也更符合科学、绿色、环保的原则；
2、尿素等类石墨相氮化碳前驱体与碳源在针状晶体中通过氢键连接，在原位聚合过程中尿素转变为管状氮化碳，碳源聚合得到的碳材料，两者之间依然有很好的界面接触，连接性较好且省去了传统粘结剂的使用；
3、尿素等类石墨相氮化碳前驱体聚合得到氮化碳，碳源聚合得到相应的碳材料，包覆在氮化碳纳米管表面，这是由于两者的聚合进程存在不同，碳源的聚合稍落后于尿素的聚合，因此碳源在聚合过程中会提供使片状氮化碳发生弯曲的力，使氮化碳纳米片发生卷曲并最终形成三维管状结构。这种三维管状结构能明显增大材料比表面积，且中空管状结构能够有效提高材料内部载流子传输效率，进一步提高材料电容性能；在聚合过程中，尿素聚合得到氮化碳，碳源自身发生聚合形成碳材料；
4、碳材料包覆在氮化碳表面，克服了氮化碳材料导电性差的问题。纳米管结构的氮化碳比表面积增大，提高了材料电容性能，其内部呈中空管状结构，有利于载荷传输，导电性能又得到进一步提高，通过测试发现，材料的电容性能有着非常明显的提高。
附图说明
图1是在尿素中加入不同含量碳源所制备样品的扫描电镜照片；
图2为BCN和TCN-x样品作为电极材料时的电容性能图；
图3为使用样品TCN-200作为电极材料，在电流密度为5Ag-1时的充电放电循环性能图；
图4为纯类石墨相氮化碳和碳包覆氮化碳纳米管的扫描电镜和透射电镜图；
图5为所制备BCN样品和TCN-x样品的数码照片图。
具体实施方式
下面选择使用尿素作为类石墨相氮化碳前驱体、葡萄糖作为碳源对实施例进行详细说明，但本发明的保护范围不限于这些实施例。
实施例1
一种碳包覆的氮化碳纳米管材料，所述氮化碳纳米管材料由类石墨相氮化碳前驱体与碳源作为前驱体通过一步焙烧制得；所述类石墨相氮化碳前驱体为尿素；所述碳源为葡萄糖。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)称取尿素6g和葡萄糖200mg加入到50mL坩埚中，注入15mL去离子水使固体完全溶解得到相应混合溶液，将盛有混合溶液的坩埚转移到80℃烘箱中加热2h除去溶液中部分去离子水，将坩埚取出置于室温情况下进行自然降温，溶液中的尿素和葡萄糖进行重结晶形成针状晶体。
(2)将步骤(1)中所制备针状晶体转移至坩埚中，将坩埚使用铝箔进行双层包裹后放入管式炉，管式炉通氩气形成惰性气体气氛，升温速率为5℃/min，管式炉焙烧温度为550℃，焙烧时间为2h。待焙烧完毕且管式炉降至室温后将坩埚取出，所得到粉末状样品即为碳包覆的氮化碳纳米管材料。
实施例2
一种碳包覆的氮化碳纳米管材料，所述氮化碳纳米管材料由类石墨相氮化碳前驱体与碳源通过重结晶、焙烧工艺制得；所述类石墨相氮化碳前驱体为尿素；所述碳源为葡萄糖。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)称取尿素6g和葡萄糖100mg加入到50mL坩埚中，注入15mL去离子水使固体完全溶解得到相应混合溶液，将盛有混合溶液的坩埚转移到80℃烘箱中加热2h除去溶液中部分去离子水，将坩埚取出置于室温情况下进行自然降温，溶液中的尿素和葡萄糖进行重结晶形成针状晶体；
(2)将步骤(1)中所制备针状晶体转移至坩埚中，将坩埚使用铝箔进行双层包裹后放入管式炉，管式炉通氩气形成惰性气体气氛，升温速率为5℃/min，管式炉焙烧温度为550℃，焙烧时间为2h。待焙烧完毕且管式炉降至室温将坩埚取出，所得到粉末状样品即为碳包覆的氮化碳纳米管材料。
实施例3
一种碳包覆的氮化碳纳米管材料，所述氮化碳纳米管材料由类石墨相氮化碳前驱体与碳源作为前驱体通过一步焙烧制得；所述类石墨相氮化碳前驱体为尿素；所述碳源为葡萄糖。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)称取尿素6g和葡萄糖300mg加入到50mL坩埚中，注入15mL去离子水使固体完全溶解得到相应混合溶液，将盛有混合溶液的坩埚转移到80℃烘箱中加热2h除去溶液中部分去离子水，将坩埚取出置于室温情况下进行自然降温，溶液中的尿素和葡萄糖进行重结晶形成针状晶体。
(2)将步骤(1)中所制备针状晶体转移至坩埚中，将坩埚使用铝箔进行双层包裹后放入管式炉，管式炉通氩气形成惰性气体气氛，升温速率为5℃/min，管式炉焙烧温度为550℃，焙烧时间为2h。待焙烧完毕且管式炉降至室温将坩埚取出，所得到粉末状样品即为碳包覆的氮化碳纳米管材料。
实施例4
一种碳包覆的氮化碳纳米管材料，所述氮化碳纳米管材料由类石墨相氮化碳前驱体与碳源作为前驱体通过一步焙烧制得；所述类石墨相氮化碳前驱体为尿素；所述碳源为葡萄糖。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)称取尿素6g和葡萄糖200mg加入到50mL坩埚中，注入10mL去离子水使固体完全溶解得到相应混合溶液，将盛有混合溶液的坩埚转移到60℃烘箱中加热3h除去溶液中部分去离子水，将坩埚取出置于室温情况下进行自然降温，溶液中的尿素和葡萄糖进行重结晶形成针状晶体。
(2)将步骤(1)中所制备针状晶体转移至坩埚中，将坩埚使用铝箔进行双层包裹后放入管式炉，管式炉通氩气形成惰性气体气氛，升温速率为5℃/min，管式炉焙烧温度为400℃，焙烧时间为4h。待焙烧完毕且管式炉降至室温后将坩埚取出，所得到粉末状样品为碳包覆的氮化碳纳米管材料。
性能测试：
1、不同碳含量对TCN样品的影响
图1是不同碳含量对TCN样品的扫描电镜照片。如图1中的A所示，当前驱体中没有加入葡萄糖时，只能形成堆砌的片状结构，而这些片会发生微小的卷曲，这是由于尿素焙烧过程中产生的氨气所导致的。如图1中的B和图1中的C可以发现，当前驱体中加入50mg的葡萄糖，可以观察到已经有片状的弯曲形成，但是仅仅是弯曲并没有弯曲成管。如图1中的D所示，当前驱体中的葡萄糖含量增加到100mg时，已经有明显的管状结构形成。图1中的E代表葡萄糖含量增加到 200mg时样品的扫描电镜图，相比于100mg的样品中，管状结构的含量变的更多，大范围展现出了管状结构。当葡萄糖含量继续增加，如图1中的F所示，此时所加葡萄糖为300mg，所形成的结构变为了间隙较大的层状堆砌结构，当然也有一些类似管状的结构。当葡萄糖含量继续增加至500mg时(图1中的G,H)，则形成了大块的材料，也有的地方形成了大块片状结构的弯曲(只剩下形成管结构的趋势了)。当葡萄糖含量继续增加，增加至1000mg(图1中的K,L) 甚至2000mg(图1中的M)。管状或者类管状结构完全消失，取而代之的则是形成紧密的片堆积甚至是大面积的块状结构。此外，当焙烧前驱体仅为葡萄糖时，如图1中的N所示，是大块的烧结的片状结构。
可见，加入适量的碳源是保证最终产品弯曲形成管状的关键。
2、电容性能测试
为说明发明效果，采用本发明制备的样品作为电极材料对其电容性能进行测试。结果如图2所示。图2表示在电流密度为1A g-1时，所制备材料的充放电曲线。其中BCN代表本体g-C3N4材料，TCN-x(x＝100、150、200、300)表示向6g尿素中加入葡萄糖x mg制备得到的复合材料，其他制备工艺同实施例1。
从图1中可以发现，通过该方法制备的所有材料的电容性能相对BCN都有着明显提高。在所制备材料中，TCN-200具有着最好电容性能(924F g-1)，约为本体氮化碳的15.9倍。
3、稳定性测试
为说明本发明材料的稳定性，以TCN-200为例，将其作为电极材料在电流密度为5Ag-1时的充电放电循环实验，结果见图3所示。
由图3可知，该材料在进行1000次循环充放电后，TCN-200作为电极材料依然保持较好的电容性能，效率仍能达到首次测试的94％，保持了优异的稳定性。
4、不同电流密度下的电容强度测试
使用样品TCN-200和样品BCN作为电容器电极材料，在不同电流密度下测试得到的电容强度，结果见表1所示。从表1可以看出，在不同的电流密度下，本发明所制得的样品TCN-200电容强度相对于BCN样品都有着显著提高。
表1.TCN-200和BCN作为电极材料在不同电流密度下的电容值
Figure BDA0001766053280000061
5、电镜观察
图4为本体类石墨相氮化碳和碳包覆氮化碳纳米管的扫描(A～D)及透射(E～F)电镜图，从扫描电镜图中可以看出，类石墨相氮化碳(A,B)显示出典型的类石墨堆叠结构，而氮化碳纳米管(C,D)显示出明显的管状结构。同样，两者的结构对比也可以从类石墨相氮化碳(E)和碳包覆氮化碳纳米管(F,G)的透射电镜图中明显观察到。
6、表观观察
图5为所制备BCN样品和TCN-x样品的数码照片图，从图5中可以发现，本体g-C3N4显示为淡白色，而随着样品TCN-x中碳含量的增加，样品颜色从白色变为棕色最后变为黑色。而黑色正是碳材料的颜色，从而也可以从某种程度上说明所制备材料中g-C3N4表面覆盖着一层碳材料。
以上所述实施例为该发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种碳包覆的氮化碳纳米管材料，其特征在于，所述氮化碳纳米管材料由类石墨相氮化碳前驱体与碳源的混合物作为产物前驱体通过一步法焙烧得到；所述类石墨相氮化碳前驱体与碳源按质量比6g：（100～300）mg混合。
2.如权利要求1所述的碳包覆的氮化碳纳米管材料，其特征在于，所述类石墨相氮化碳前驱体为尿素、单氰胺、双氰胺、三聚氰胺和硫脲中的一种。
3.如权利要求1所述的碳包覆的氮化碳纳米管材料，其特征在于，所述碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、抗坏血酸的一种。
4.权利要求1-3任一所述的碳包覆的氮化碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将类石墨相氮化碳前驱体与碳源按质量比6g：（100～300）mg混合，加入10～15 mL去离子水，混合得到类石墨相氮化碳前驱体与碳源的混合液，混合液于60～80℃下加热除去去离子水，保温2～3 h后冷却至室温，得到针状晶体；
（2）将盛有针状晶体的坩埚用铝箔包裹并于400～550℃下焙烧2～4 h，同时持续通入保护气，焙烧结束后自然冷却至室温，即得碳包覆氮化碳纳米管材料。
5.如权利要求4所述的碳包覆的氮化碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述保护气为惰性气体。
6.权利要求1-3任一所述的碳包覆的氮化碳纳米管材料在超级电容器中的应用。
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