[发明专利]一种氮化碳纳米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化碳纳米管及其制备方法，尤其涉及一种氮化碳纳米管及具有环境友好的低成本高产量高性能可批量生产的简便制备该氮化碳纳米管的方法，属于纳米材料领域。

背景技术

氮化碳(CN或C₃N₄)由在自然界中广泛存在的两种元素碳和氮组成，包含有非常稳定的三嗪(Triazine)和三均三嗪(Tri-s-triazine)单元。完美的氮化碳材料是一种窄禁带半导体(带隙宽度为2.7eV)。同时，氮化碳具有非常多引人注目的性能，例如耐热耐化学腐蚀、耐磨损、超硬、防水、密度小、无毒、良好的生物相容性，并具有很高的电子迁移速率和很强的氧化能力，这使得氮化碳成为一种非常重要的无金属元素的功能材料，作为光催化剂被广泛应用于分解水、太阳能转化、污染物降解等领域。

纳米管(Nanotube，NT)是指样品的某一方面尺度为纳米(nm)级的由一层或多层管状同轴高分子组成的管状材料，以碳纳米管的发现为开端。其后又有氮化硼纳米管，硫化钼纳米管，碳化硅纳米管，氧化钛纳米管等纳米管材料。通常纳米管的长度为微米(μm)级，而其内经或外经在纳米尺寸范围内；亦或是其管壁厚度在纳米尺寸范围内。因此，纳米管的长度/直径比非常大，为一种典型的一维纳米材料。由于纳米管具有非常小的尺寸，并拥有较大的比表面积，同时独有特殊的管状结构，从而被赋予超乎寻常的物理化学性能，在传感器、电容器、物相固定、储氢、催化、电池电极，光电等领域有着极大的研究价值和应用前景。

氮化碳纳米管(CNNT)具备氮化碳材料本身的特质(禁带窄、水分散性好、抗光辐射、耐腐蚀、生物相容性等优异性能)，同时由于其纳米管的特殊结构，是一种具有巨大潜在应有价值的材料。

制备纳米管的方法通常分为两大类。一类方法是直接合成法，例如化学法，电弧法，化学气相沉积法，离子束辐射法。Chuanbao Cao课题组¹采用化学法制得了管状的氮化碳，样品的比表面积较大且具有较高的比电容和较好的光催化性能。但是此方法的原料为对生物有害的三聚氰胺且制备过程中用到了强碱。Mukul Kumar课题组²采用化学气相沉积并结合模板成功制备了长尺寸的CNNT，并研究了其场发射性能。K.Suenaga课题组³提出了一种磁控溅射的方法，并采用此方法成功合成了CNNT。另一类方法是模板法，例如利用有序阵列作为模板制备纳米管，利用多孔材料作为模板制备纳米管等。Wei-Guo Song课题组⁴以多孔氧化铝纳米材料为模板，聚合乙二胺和四氯化碳制备出CNNT。所制备的材料表现出较好的催化性能。H.-Jurgen Meyer课题组⁵以三聚氰酰氯和多种固相氮源为原料进行复分解反应，并以中间产物N(C₃N₃Cl₂)₃作为模板在真空或氩气等特殊环境下成功制备了CNNT。

虽然可以采用这两类制备出氮化碳纳米管，但是现有的方法存在很多不足：或是制备工序复杂，设备昂贵，生产周期漫长，产率低，不适宜大规模生产；或是在原料和制备过程中用到对环境和健康有害的材料；或是制备的纳米管尺寸不好，性能不佳，不利于实用。因此，目前急需一种环保的可以批量生产纳米管的简便方法，并实现且由此方法制备的氮化碳纳米管产量高，性能优良。

发明内容

针对目前对氮化碳纳米管的潜在需求，现有的制备纳米管方法中存在的问题，以及氮化碳纳米管及其制备和应用存在的空白，本发明提出了一种氮化碳纳米管，并提出了一种环保的，可以批量生产的，产品性能好的简便制备该氮化碳纳米管的方法及其应用。

本发明所述的氮化碳纳米管，其特征在于：所述氮化碳纳米管的成分为化学结构式C₃N_(4±x)表述的氮化碳，其中x＝0～1，所述氮化碳纳米管的形貌为圆形长管状，其长度为2-5μm，其内经为100-500nm，其外径为120-600nm，其壁厚为10-100nm。本发明所述的氮化碳纳米管尺寸统一，分布均匀。所述氮化碳纳米管产率可达60％以上，具有优异的性能。

本发明所述氮化碳纳米管的制备方法，步骤是：

(1)配制溶液：将尿素与碳酸氢钠以摩尔比为1～100:1的比例溶解于无杂质的水中，充分搅拌并混合均匀，制成尿素浓度为1～10mol/L的无色透明溶液；