[发明专利]一种掺杂氮的类碳纳米管结构的碳材料的制备方法

说明书

一种氮掺杂类碳纳米管结构的薄层碳材料。其具有与碳纳米管类似的性质，但是制备方法相对于现有的方法更加简单，制备的碳材料，相对于目前的氮掺杂碳纳米管具有更好的性能表现。本发明的类碳纳米管结构的薄层碳材料主要是指，首先，本发明实质经过两步反应，碳氮源化合物先在催化剂Ni的作用下，分解产生薄层纳米片，然后，所得的薄层纳米片再在催化剂Co的作用下，弯曲闭合转变为管状结构，即得到最终的类碳纳米管结构的薄层碳材料。宏观来看，该材料具有与碳纳米管相同的管状结构，并且通过控制Ni催化剂的用量，可以实现对碳层厚度的控制，从而得到薄层的纳米片结构。

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，具体涉及一种掺杂型的碳材料，尤其是一种掺杂氮的类碳纳米管结构的碳材料。

背景技术

碳纳米管是一种广为熟知的一维碳纳米材料，具有良好的导电性、力学性能、光学性能和化学稳定性，与石墨烯类似，其中的碳原子都是以sp²杂化的方式为主，但碳纳米管其中还包括部分sp³杂化的碳原子，这使得碳纳米管外围具有大范围的大π键，从而使得碳纳米管具有很好的复合性能。

一般而言，碳纳米管按其组成分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT），顾名思义，单壁碳纳米管是指纳米管的壁厚为碳单层。而按照其半导体属性，碳纳米管又被分为金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管。对于金属性碳纳米管，一般将其应用于导电、导热、电磁屏蔽等领域（参见文献：“Transparent，Conductive Carbon NanotubeFilms”，Science，2004；“Thermal conductivity of multiwalled carbon nanotubes”，Physical Review B，2002）。为了克服其零带隙的问题，研究人员一般通过向其中引入异质元素来实现，具体的，通过引入氮原子，可以得到n型碳纳米管，而引入B原子，则可以获得p型碳纳米管（参见中科院金属所的相关研究工作）。

制备碳纳米管的常见方法主要包括：电弧放电法、化学气相沉积法、固相热分解法以及磁控溅射法等。而对于杂原子的引入方式，也常常伴随着这几种方式进行，如CN107673324A，使用固相分解的方法制备出了掺氮的碳纳米管，但这种方法制备的碳纳米管壁厚较厚，且尺寸很短。虽然，现在有很多的方法来制备氮掺杂碳纳米管，尤其是热解法最为吸引人。但是，目前使用这种方法制备的碳纳米管，大都是使用Fe为主要催化元素，这并不能得到单壁/薄壁的碳纳米管，且长度极短。为此，本发明的目的在于提供一种氮掺杂类碳纳米管结构的薄层碳材料。其具有与碳纳米管类似的性质，但是制备方法相对于现有的方法更加简单，制备的碳材料，相对于目前的氮掺杂碳纳米管具有更好的性能表现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂类碳纳米管结构的薄层碳材料。其具有与碳纳米管类似的性质，但是制备方法相对于现有的方法更加简单，制备的碳材料，相对于目前的氮掺杂碳纳米管具有更好的性能表现。本发明的类碳纳米管结构的薄层碳材料主要是指，首先，本发明实质经过两步反应，碳氮源化合物先在催化剂Ni的作用下，分解产生薄层纳米片，然后，所得的薄层纳米片再在催化剂Co的作用下，弯曲闭合转变为管状结构，即得到最终的类碳纳米管结构的薄层碳材料。宏观来看，该材料具有与碳纳米管相同的管状结构，并且通过控制Ni催化剂的用量，可以实现对碳层厚度的控制，从而得到薄层的纳米片结构。

为了使本领域技术人员更加清楚明白的了解本发明的技术方案，现对本发明使用的技术方案进行如下详细的描述。

本发明的技术方案如下：

一种掺杂氮的类碳纳米管结构的碳材料的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1：称取适量的碳氮源、镍粉和钴粉进行混合，得到混合料M；

步骤2：将步骤1中混合均匀的混合料M放入瓷舟中，于马弗炉中，在惰性气体保护下，先在500-600℃下煅烧3-5h；然后继续升温至800-900℃，再煅烧1-3h，反应结束后，自然冷却至室温；