CN104513955A - 一种氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法及其产品 - Google Patents

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陈浩
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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，采用磁控溅射的方法，以富碳材料作为溅射靶材，以氮气或者氮气与氩气的混合气体作为溅射气氛，以金属、无机半导体材料或无机绝缘材料作为衬底制备氮掺杂碳膜，所述衬底温度为20～500℃；在真空、氮气气氛或惰性气氛中，在300～1000℃下，氮掺杂碳膜经热处理10秒～20小时后，得到所述的氮掺杂多孔碳薄膜材料。本方法无需模板，不消耗有机溶剂，简单易行；本方法制备的氮掺杂多孔碳薄膜材料具有N含量、孔尺寸可调的特点，N含量最高可达30%；本方法制备的N掺杂多孔碳薄膜的膜厚最小仅为数纳米，且可以实现大面积制备。

Description

一种氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法及其产品
技术领域
本发明涉及无机纳米材料的制备领域，尤其涉及一种氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法。
背景技术
多孔碳材料是指具有不同孔结构的碳材料，其孔径可以根据实际应用的要求进行调控，使其尺寸处于纳米级微孔至微米级大孔之间。多孔碳材料具有碳材料的性质，如化学稳定性高、价格低廉等优点；同时，孔结构的引入使其同时具有比表面积大、孔道结构可控、孔径可调等特点。多孔碳材料在气体分离、水的净化、色谱分析、催化和光催化及能量存储等领域得到了广泛的应用。然而，纯碳材料亲水性较差，在一定程度上限制了其在各领域的应用。在碳纳米材料中掺杂氮(N)原子可以极大地改变材料的表面结构、调变其孔道结构、增强其亲水性、影响材料表面pKa值，从而扩大碳纳米材料在各领域的应用范围。
通常采用两类方法制备N掺杂多孔碳：（1）采用NH3、乙腈、尿素等含N前体对多孔碳材料进行热处理，这种方法可以得到含氮表面官能团及结构N，但是N含量往往比较低；（2）采用硬模板或软模板法，直接热解富氮前体/模板的混合物，最常用的前体包括胺基糖类、三聚氰胺、苯甲胺、含N杂环化合物以及苯二甲蓝染料等，这种方法得到的N掺杂多孔碳材料含氮量高，但是需要模板，制备过程较复杂，成本也较高。
2002年，法国的Lejeune M（Lejeune M et al,Structural relaxation ofsputtered amorphous carbon nitride films during thermal annealing,diamondRelat.Mater.2008(17)29～35）等研究者采用磁控溅射法制备氮掺杂碳膜，薄膜中氮的原子百分含量高达40.6%。但到目前为止，并未有以该法制备的氮掺杂碳膜作为前驱体，制备氮掺杂多孔碳膜的报道。
发明内容
本发明提供了一种氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，该方法无需模板，不消耗有机溶剂，简单易行；本方法还提供了一种上述制备方法制备的氮掺杂多孔碳薄膜材料，该材料中N含量、孔尺寸均可调，N含量最高可达30%。
本发明公开了一种氮掺杂多孔碳薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射的方法，以富碳材料作为溅射靶材，以氮气或者氮气与氩气的混合气体作为溅射气氛，以金属、无机半导体材料或无机绝缘材料作为衬底制备氮掺杂碳膜；
步骤2、在真空、氮气气氛或惰性气氛中，在300～1000℃下，氮掺杂碳膜经热处理10秒～20小时后，得到所述的氮掺杂多孔碳薄膜材料。
该方法制备多孔碳膜的原理为，含氮碳膜在热处理过程中，一方面，部分氮原子结合生成氮气分子，另一方面，部分氮原子和碳原子反应，生成CN和(CN)2气体，这些反应使薄膜变薄，同时在薄膜中留下孔洞，从而得到氮掺杂多孔碳薄膜。
所述的富碳材料为石墨或无定形碳，无定形碳包括炭黑、活性炭等，与无定形碳相比较，石墨的碳含量高，纯度高，因此是首选溅射靶材。
步骤1中衬底可以为金属、无机半导体材料或无机绝缘材料，当所述的衬底为金属时，其材质可以为铂、铜、铁等；当所述的衬底为无机半导体材料时，其材质可以为硅片、氧化锌、氮化硅、碳化硅等；当所述的衬底为无机绝缘材料时，其材质可以为热氧化硅片、玻璃、陶瓷等。
步骤1中采用磁控溅射的方法制备氮掺杂的碳膜，通过控制溅射功率为20W～5kW、溅射气压为0.1～100Pa、衬底温度为20～500℃和衬底偏压为0～–500V，可以调整碳膜中氮原子的百分含量为0.1%～40%。
步骤2中所述的氮掺杂碳膜热处理过程：首先在保护性气氛中将氮掺杂碳膜升温至300～1000℃，在该温度下保温10秒～20小时，后冷却至室温。所述的升温步骤采用射频炉、电阻炉或快速退火炉实现。
本发明还公开了一种根据所述的制备方法得到的氮掺杂多孔碳薄膜材料，通过x射线光电子能谱、原子力显微镜、透射电镜等分析测试手段，确定所得产物为N掺杂多孔碳薄膜材料，其孔尺寸为0.1nm～10μm，氮原子百分含量为0.05%～30%。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明不需要模板，无需消耗有机溶剂，简单易行，极大地降低了生产成本，适合工业化的大规模生产；
本发明通过调节衬底种类、溅射功率、溅射气压、衬底温度、衬底偏压以及热处理温度和时间制备了N含量、孔尺寸可调的氮掺杂多孔碳薄膜材料，N含量最高可达30%；
本发明在制备N掺杂多孔碳薄膜方面具有独特优势，膜厚最小仅为数纳米，且可以实现大面积制备。
附图说明
图1为实施例1中所得N掺杂多孔碳膜的原子力显微镜图像；
图2为实施例1中所得N掺杂多孔碳膜的x射线光电子能谱；
图3为实施例2中所得N掺杂多孔碳膜的透射电镜图像。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
实施例1
采用直流磁控溅射，以石墨作为溅射靶材，氮气作为溅射气氛，镀铂硅片（Pt/Ti/SiO2/Si）作为衬底，衬底温度为室温，溅射功率70W，溅射所得N掺杂碳膜厚度为60nm，x射线光电子能谱测定薄膜中N的原子百分含量为20%。将N掺杂碳膜放置于快速退火炉中，氩气作为保护气氛，将碳膜升温至600℃，在600℃保温10分钟，后冷却至室温。热处理后N掺杂多孔碳膜的表面形貌见图1-本实施例所得N掺杂多孔碳膜的原子力显微镜图像，由图1可见，尺寸为10～200nm的孔洞均匀分布在薄膜表面，如图2所示，x射线光电子能谱测定多孔碳膜中N的原子百分含量为13%。热处理后多孔碳膜的厚度为25nm，尺寸为5×5cm2。
实施例2
采用直流磁控溅射，以石墨作为溅射靶材，氮气作为溅射气氛，热氧化硅片（SiO2/Si）作为衬底，衬底温度为室温，溅射功率70W，溅射所得N掺杂碳膜厚度为60nm。将N掺杂碳膜放置于快速退火炉中，氩气作为保护气氛，将碳膜升温至600℃，在600℃保温10分钟，后冷却至室温。热处理后N掺杂多孔碳膜的透射电镜照片见图3，由图3可见，尺寸为2～10nm的孔洞均匀分布在薄膜中。热处理后多孔碳薄膜的厚度为30nm，尺寸为5×5cm2。

Claims (8)

1.一种氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射的方法，以富碳材料作为溅射靶材，以氮气或者氮气与氩气的混合气体作为溅射气氛，以金属、无机半导体材料或无机绝缘材料作为衬底制备氮掺杂碳膜；
步骤2、在真空、氮气气氛或惰性气氛中，在300～1000℃下，氮掺杂碳膜经热处理10秒～20小时后，得到所述的氮掺杂多孔碳薄膜。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，其特征在于，所述富碳材料为石墨或无定形碳。
3.根据权利要求2所述的氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，其特征在于，所述富碳材料为石墨。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2中所述热处理温度为500～700℃。
5.根据权利要求4所述的氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2中所述热处理时间为20秒～2小时。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中所述溅射功率为20W～5kW，溅射气压为0.1～100Pa。
7.根据权利要求6所述的氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中所述衬底温度为20～500℃，衬底偏压为0～–500V。
8.一种根据权利要求1～7任一权利要求所述的制备方法得到的氮掺杂多孔碳薄膜，其特征在于，所述氮掺杂多孔碳薄膜的孔尺寸为0.1nm～10μm，氮原子百分含量为0.05%～30%。
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