[发明专利]硼氮共掺的碳纳米管薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硼氮共掺的碳纳米管薄膜及其制备方法和应用，所述制备方法包括：1)按照(90‑100):(1.3‑1.7):(0.5‑1.5)的质量比称量乙醇、二茂铁和噻吩得到混合溶液，再加入所述混合溶液1‑3wt.％的硼酸和2‑4wt.％的吡啶，在40‑60℃分散均匀，作为前躯体溶液；2)将CVD炉完全密封，持续通入惰性气体，以排除炉内空气，调节CVD炉升温至1100‑1200℃并保温2‑5h，为后续碳纳米管膜的生长提供恒温环境；3)关闭惰性气体，持续通入H2作为反应气至H₂充满整个炉膛，再以3‑8mL/h的注液速率经过超声雾化装置，将步骤1所述的前躯体溶液以均匀分散的雾状液滴注入炉内，10‑30min后在炉膛底部收集到硼氮共掺的碳纳米管薄膜。所述薄膜的质量比电容为130‑150F·g^‑1。

技术领域

本发明涉及碳纳米管基薄膜技术领域，特别是涉及一种硼氮共掺的碳纳米管薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

碳纳米管凭借其独特的电子特性和表面微结构，使得离子嵌入深度小、行程短及嵌入位置多，具有良好的离子和电子的传输能力。对碳纳米管进行异原子掺杂，如硼、氮等，可以有效地控制碳纳米管的晶体和电子结构，改善碳纳米管的物理化学性质。其中，氮原子的半径与碳原子接近，掺杂后碳纳米管的晶格畸变较小，氮的引入为碳纳米管提供了一个自由电子作为载流子，从而提高其导电性。同时，掺杂后碳纳米管的导电性不再依赖手性和直径，而是完全取决于其化学成分。硼的价电子比碳少一个，在碳纳米管中引入硼源时，硼进入石墨晶格，从周围碳原子上吸收一个电子，从而使得碳原子的反应活性下降，减少了石墨层的氧化。同时硼的引入可以减少无定型碳的形成，提高碳纳米管的取向性。因此，可以通过同时引入氮源和硼源合成硼氮共掺碳纳米管，提高碳纳米管的电化学性能和结构稳定性。目前，制备硼氮共掺碳纳米管的报道较少，且合成过程大都复杂繁琐，不能实现规模化，因此亟待一种能同时引入硼源和氮源的，简单有效的一步合成法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种硼氮共掺的碳纳米管薄膜，采用浮动裂解一步制备法实现，具体的，采用有机金属化合物为催化剂，噻吩为反应促进剂，溶于乙醇当中形成前躯体溶液，通过超声雾化装置注入立式CVD炉内，催化剂颗粒浮在反应气H₂的载气中，最终可以在炉膛底部收集到薄膜状的产物，使制备连续化、规模化。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种硼氮共掺的碳纳米管薄膜，碳纳米管相互交错搭接形成多孔网络结构，碳纳米管的管径为50-70nm，所述碳纳米管的端口呈现出直径在80-100nm的球形封口；

通过以下方法制备：

步骤1，按照(90-100):(1.3-1.7):(0.5-1.5)的质量比称量乙醇、二茂铁和噻吩得到混合溶液，再加入所述混合溶液1-3wt.％的硼酸和2-4wt.％的吡啶，在40-60℃分散均匀，作为前躯体溶液；

步骤2，将CVD炉完全密封，持续通入惰性保护气体以排除炉内空气，调节CVD炉升温至1100-1200℃并保温2-5h，为后续碳纳米管膜的生长提供恒温环境；

步骤3，关闭惰性保护气体，持续通入H₂作为反应气至H₂充满整个炉膛，再以3-8mL/h的注液速率经过超声雾化装置，将步骤1所述的前躯体溶液以均匀分散的雾状液滴形式注入炉内，在1100-1200℃进行反应，反应完成后在炉膛底部收集硼氮共掺的碳纳米管薄膜。

在上述技术方案中，所述惰性保护气体为氮气、氩气或氦气。优选为惰性气体。

在上述技术方案中，所述步骤3中通入H₂的速度为700-900sccm。

在上述技术方案中，所述步骤3的反应时间为10-30min，所述硼氮共掺的碳纳米管薄膜的形态为筒状类薄膜。