CN113651313A - 一种中空亚微米氮掺杂碳管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，包括：步骤1，将有机小分子溶解在有机溶剂中得到溶液A，同时将表面活性剂分散至去离子水中得到溶液B；边搅拌边将溶液A滴加至溶液B中，得到自组装有机结构；步骤2，将上述的自组装有机结构加入到pH＝8.5Tris缓冲液中超声分散，然后加入多巴胺搅拌反应，得到聚多巴胺包裹的自组装有机结构；步骤3，将上述的聚多巴胺包覆的自组装有机结构置于管式炉中高温煅烧，得到中空亚微米氮掺杂碳管。本发明解决了中空型亚微米碳管的空白，利用有机小分子和多巴胺形成可控式自组装有机结构，从而形成大比表面积的中空碳管，且该制备方法简单，成本低廉。

Description

一种中空亚微米氮掺杂碳管及其制备方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种中空亚微米氮掺杂碳管。
背景技术
碳材料是一种性能优异、制备简单、价格低廉的新兴材料，近年来关于碳材料的制备和性能研究的报道也越来越多。在各种碳纳米材料中，中空碳纳米结构因其热稳定性高、电子传递能力强、比表面积大、裸露的活性位点丰富、形状和结构灵活而引起了广泛的关注。大量的研究表明，中空碳纳米结构在能源、催化、电子、生物医学等方面表现出优异的性能。
然而纯碳材料在实际应用过程中存在一定的局限性。杂原子掺杂可以有效调节碳材料的物理化学性质。在众多杂原子中，由于氮原子和碳原子半径接近，可以很好地形成氮掺杂碳材料。氮原子掺杂对碳材料电导率、场发射性能、超级电容器性能、氧还原催化性能、其他催化性能、储氢性能等方面有着重要的影响。近年来，对于氮掺杂碳材料的的制备及其性能研究一直是近年来碳材料研究领域的热点，受到了国内外研究者的广泛关注。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，解决了中空型亚微米碳管的空白，利用有机小分子和多巴胺形成可控式自组装有机结构，从而形成大比表面积的中空碳管，且该制备方法简单，成本低廉。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将有机小分子溶解在有机溶剂中得到5mg/mL溶液A，同时将表面活性剂分散至去离子水中得到25mg/L溶液B；边搅拌边将溶液A滴加至溶液B中，溶液A与溶液B的体积比为1:7，待反应结束，静置，过滤，干燥得到自组装有机结构；
步骤2，将50mg上述的自组装有机结构加入到pH＝8.5Tris缓冲液中超声分散，然后加入多巴胺搅拌反应；反应结束后过滤、洗涤、干燥得到聚多巴胺包裹的自组装有机结构；
步骤3，将上述的聚多巴胺包覆的自组装有机结构置于管式炉中，在氩气保护下进行高温煅烧，反应结束后得到中空亚微米氮掺杂碳管。
其中，所述步骤1中的有机小分子采用蒽、9,10-二腈基蒽或9,10-二溴蒽。
所述步骤1中的有机溶剂采用乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、甲苯中的一种或几种。
所述步骤1中的表面活性剂采用十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的一种。
优选的，所述步骤2中的多巴胺质量为10-100mg。
优选的，所述步骤2中的搅拌反应的时间为6-24h。
优选的，所述步骤3中的煅烧温度为500-1000℃。
优选的，所述步骤3中的煅烧时间为1-12h。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了中空型亚微米碳管的空白，利用有机小分子和多巴胺形成可控式自组装有机结构，从而形成大比表面积中空碳管，且该制备方法简单，成本低廉。
2.本发明利用有机小分子浓度来控制自组装结构的微观尺寸，从而达到控制中空亚微米氮掺杂碳管的微观尺寸。
3.本发明利用多巴胺浓度来实现中空亚微米氮掺杂碳管的管壁厚度，提升了碳管的制备可控性，提高成品率。
附图说明
图1是实施例1中的自组装有机结构扫描电子显微镜照片；
图2是实施例3中的聚多巴胺包覆的自组装有机结构扫描电子显微镜照片
图3是实施例4中的中空亚微米氮掺杂碳管透射电子显微镜照片。
具体实施方式
结合图1至图3，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，具体包括以下步骤:
步骤1：称取60mg 9,10-二腈基蒽溶解于12mL乙醇中，得到溶液A；称取20mg十二烷基硫酸钠溶解于800mL去离子水中，得到溶液B。边搅拌边向溶液B中滴加溶液A，溶液A与溶液B的体积比为1:7，反应10min，静置、过滤、干燥得到自组装有机结构，如图1所示；
步骤2：称取50mg自组装有机结构溶解于200mL pH＝8.5Tris缓冲溶液，超声分散。然后加入10mg多巴胺，搅拌反应6h。过滤、洗涤、干燥得到聚多巴胺包覆的自组装有机结构；
步骤3：将聚多巴胺包覆的自组装有机结构置于管式炉中，氩气下升温500℃煅烧1h，制得中空亚微米氮掺杂碳管样品1。
实施例2
将实施例1步骤3中“升温500℃煅烧1h”改为“升温1000℃煅烧12小时”，其余步骤同实施例1，制得中空亚微米氮掺杂碳管样品2。扫描电子显微镜发现得到的中空亚微米氮掺杂碳管的宽度表面更平滑，说明升高碳化温度和延长碳化时间有利于石墨化结构形成。
实施例3
一种中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，具体包括以下步骤:
步骤1：称取30mg 9,10-二溴蒽溶解于12mL二氯甲烷中，得到溶液A；称取20mg十六烷基三甲基溴化铵溶解于800mL去离子水中，得到溶液B。边搅拌边向溶液B中滴加溶液A，溶液A与溶液B的体积比为1:7，反应10min，静置、过滤、干燥得到自组装有机结构。
步骤2：称取50mg自组装有机结构溶解于200mL pH＝8.5Tris缓冲溶液，超声分散。然后加入50mg多巴胺，搅拌反应12h。过滤、洗涤、干燥得到聚多巴胺包覆的自组装有机结构，如图2所示。
步骤3：将聚多巴胺包覆的自组装有机结构置于管式炉中，氩气下升温700℃煅烧6h，制得中空亚微米氮掺杂碳管样品3。
实施例4
一种中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，具体包括以下步骤:
步骤1：称取30mg蒽溶解于12mL甲苯中，得到溶液A；称取10mg十二烷基苯磺酸钠溶解于800mL去离子水中，得到溶液B。边搅拌边向溶液B中滴加溶液A，溶液A与溶液B的体积比为1:7，反应10min，静置、过滤、干燥得到自组装有机结构。
步骤2：称取50mg自组装有机结构溶解于200mL pH＝8.5Tris缓冲溶液，超声分散。然后加入100mg多巴胺，搅拌反应24h。过滤、洗涤、干燥得到聚多巴胺包覆的自组装有机结构。
步骤3：将聚多巴胺包覆的自组装有机结构置于管式炉中，氩气下升温800℃煅烧4h，制得中空亚微米氮掺杂碳管样品4，如图3所示。
实施例5
将实施例5步骤2中“搅拌反应6h”改为“搅拌反应24h”，其余步骤同实施例4，制得中空亚微米氮掺杂碳管样品5。透射电子显微镜发现得到的中空亚微米氮掺杂碳管的管壁厚度变厚，说明增加多巴胺聚合时间有利于提高中空亚微米氮掺杂碳管的管壁厚度。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明中的中空亚微米氮掺杂碳管以自组装有机结构为模板，多巴胺为碳源和氮源，经过自组装、表面修饰、高温碳化得到。且经实验测试，所述中空亚微米氮掺杂碳管的内径为10-500nm，厚度为5-20nm，长度为5-10μm。
本发明的制备方法包括：以有机小分子作为原料，在水-有机混合体系中自组装形成自组装有机结构，并将其作为模板；利用多巴胺改性技术对自组装模板进行表面修饰，得到聚多巴胺包覆的自组装有机结构；高温炭化聚多巴胺包覆的自组装有机结构，得到中空亚微米氮掺杂碳管。
本发明反应简单、易处理；原料便宜可回收，不产生有害物质，经济环保。制备过程简单，制备中空亚微米氮掺杂碳管形貌均一，具有较大的比表面积。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，将有机小分子溶解在有机溶剂中得到溶液A，同时将表面活性剂分散至去离子水中得到溶液B；边搅拌边将溶液A滴加至溶液B中，待反应结束，静置，过滤，干燥得到自组装有机结构；
步骤2，将上述的50mg自组装有机结构加入到pH＝8.5Tris缓冲液中超声分散，然后加入多巴胺搅拌反应；反应结束后过滤、洗涤、干燥得到聚多巴胺包裹的自组装有机结构；
步骤3，将上述的聚多巴胺包覆的自组装有机结构置于管式炉中，在氩气保护下进行高温煅烧，反应结束后得到中空亚微米氮掺杂碳管。
2.根据权利要求1所述的中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的有机小分子采用蒽、9,10-二腈基蒽或9,10-二溴蒽。
3.根据权利要求1所述的中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的有机溶剂采用乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、甲苯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的表面活性剂采用十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的一种。
5.根据权利要求1所述的中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的多巴胺质量为10-100mg。
6.根据权利要求1所述的中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的搅拌反应的时间为6-24h。
7.根据权利要求1所述的中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的煅烧温度为500-1000℃。
8.根据权利要求1所述的中空亚微米氮掺杂碳管的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的煅烧时间为1-12h。
9.一种中空亚微米氮掺杂碳管，其特征在于：所述碳管采用如权利要求1-9任一一项提供的方法制备而成。
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