CN105271229A

CN105271229A - 一种原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法

Info

Publication number: CN105271229A
Application number: CN201510652311.0A
Authority: CN
Inventors: 王红娟; 钟国玉; 彭峰; 余皓
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-10-10
Filing date: 2015-10-10
Publication date: 2016-01-27

Abstract

本发明公开了一种原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，将铁盐、氰胺类含氮有机物前驱体、掺杂前驱体混合均匀后在管式炉内高温热解，酸洗除杂后制得碳化铁填充掺杂碳纳米管。与传统方法相比，本发明使用的前驱体价格低廉，前驱体利用率高，降低了设备的要求，提高了制备过程中的安全性，可以进行规模化制备。制备得到的碳化铁填充掺杂碳纳米管大小均一，碳化铁填充均匀、填充量高，产物的收率高。

Description

一种原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法

技术领域

本发明涉及碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，特别涉及一种原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管作为一种新型的碳纳米材料，因其独特的力学、电子及化学特性，引起了世界范围内的关注，在场发射、电子器件、复合增强材料、储氢材料、催化剂等众多领域取得了广泛的应用。碳纳米管的修饰能明显地改变其性能，近年来逐渐成为了碳材料研究领域的热点之一。碳纳米管的修饰可分为以下几种：碳纳米管外部修饰，碳纳米管的掺杂和碳纳米管内部空腔的填充。碳纳米管的外部修饰主要是在碳纳米管外表面接入其它有机或含氧官能团，一般用于改善碳纳米管的分散性能。而碳纳米管的掺杂是在碳纳米管的石墨碳六元环上掺入其它非金属元素，如氮、磷、硼、硫等。碳纳米管的掺杂能够明显改变其电子结构，从而提高其电化学性能，如氮掺杂的碳纳米管具有替代铂用作氧还原反应催化剂的潜力[GongKP,etal.Science,2009,323(5915):760]。碳纳米管的填充则是在碳纳米的官腔内填充金属单质、金属氧化物、金属碳化物等。内部填充的金属同样能够改变外部碳纳米管的电子特性，影响其电化学性能和催化性能，如铁填充的碳纳米管表现出了良好的液相催化性能[YangXX，etal.ChemSusChem,2012,5(7):1213-1217.]。掺杂和填充对碳纳米管的性能提高最为明显，而将这两种修饰结合能更好地提高碳纳米管的性能，如铁填充的掺氮碳纳米管具有比单独铁填充或氮掺杂碳纳米管更优异的氧还原电催化性能[DengD,YuL,ChenX,etal..AngewandteChemieInternationalEdition,2013,52(1):371-375.]。

目前铁填充掺杂碳纳米管的制备方法主要包括，浸渍填充法、高温高压固相热解法和化学气相沉积法。其中浸渍填充法是一种后填充方法，是在已经制备的掺杂碳纳米管的基础上浸渍铁盐从而实现填充，具有填充量不高，填充效果差，填充的铁与碳纳米管之间作用弱等缺点。高温高压固相热解法是将铁盐与掺杂前驱体混合后置于密闭的不锈钢高压釜中，高温使得掺杂前驱体裂解产生高压环境最后制得铁填充的掺杂碳纳米管。例如，Bao等使用二茂铁和叠氮化钠为前驱物，N₂气氛下在高压釜内制备了豆荚状的铁填充氮掺杂碳纳米管。该方法制备的铁填充氮掺杂碳纳米管虽然填充效果好，但是制备条件苛刻，对高压反应釜的要求很高，不适合大规模的材料制备[DengD,YuL,ChenX,etal..AngewandteChemieInternationalEdition,2013,52(1):371-375.]。化学气相沉积法是另外一种原位制备铁填充掺杂碳纳米管的方法，该方法是将铁和掺杂前驱体气化在载气的带动下进入高温区裂解，在铁催化剂的催化作用下生长碳纳米管，同时实现铁填充和非金属掺杂。Che等以二茂铁和乙腈溶液为原料，采用H₂/Ar混合气体将反应物带入反应器中，在900℃反应，制备得到铁填充的掺氮碳纳米管[CheRC,etal.Nanotechnology.2007,18(35),355705]。该方法制备的碳纳米管铁填充量较低，且碳纳米管的产率低。针对这些缺点，中国发明专利CN103288072A公布了“铁填充碳纳米管的制备方法及反应装置”，该专利对化学气相沉积法提出了改进，它采用无水三氯化铁为催化剂前驱体，选用不同的碳源，通过浮游催化化学气相沉积的方法制备出铁填充碳纳米管。制备出来的铁填充碳纳米管填充量高达40％。该发明需要先将铁盐和碳源分别放置于反应器的入口端，需要催化剂和碳源首先气化，然后被载气带入反应器的高温区进行化学气相沉积反应，反应物分散于整个反应区，所以制备的过程繁琐，设备复杂，同时铁盐气化过程中有大量的铁盐并未气化而是生成了铁氧化物，铁的利用率不高。

综上，现有制备铁填充掺杂碳纳米管的方法，存在制备得到的铁填充碳纳米管中铁填充率低，制备方法复杂，制备条件苛刻，前驱体利用率低等缺点。所以亟待一种简单可靠，且铁填充率高的掺杂碳纳米管的制备方法。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，制备方法简便，产品铁填充率高。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，包括以下步骤：

步骤一：将铁盐、氰胺类含氮有机物前驱体、其它掺杂前驱体按1：(0.5～5):(0～1)的质量比混合溶解于无水乙醇溶液中，搅拌均匀后干燥得到混合粉末；

所述其它掺杂前驱体为磷酸、三苯基磷、苯硫醚、硼酸中的一种或多种；

步骤二：将步骤一得到的粉末研磨均一后放入瓷舟，置于管式炉的石英管中，通入惰性气体，以5～15℃/min的升温速率升温到700～900℃，保持1～4h，冷却至室温，得到黑色粉末；

步骤三：常温酸洗除去表面杂质，得到纯净的碳化铁填充掺杂碳纳米管。

所述铁盐为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、乙酸铁或二茂铁。

步骤一所述干燥，具体为：在100～120℃干燥5～12h。

步骤一所述氰胺类含氮有机物前驱体为三聚氰胺、双氰胺、氰胺、尿素、六亚甲基四胺中的一种或多种。在单独氮掺杂时，只加入含氮有机物前驱体；在氮与磷、硫或硼共掺杂时为前面所述含氮化合物与磷酸、三苯基磷、苯硫醚、硼酸其中一种的混合。

步骤二所述惰性气体为Ar或N₂气。

本发明的碳化铁填充掺杂碳纳米管的生长机理为：

(1)温度升至500-600℃时氰胺类含氮有机物聚合生成石墨相氮化碳，而铁盐则分解生成铁氧化物。

(2)温度升高至680℃左右时，氮化碳分解生成含氮量极高的石墨碳，同时放出含氮气体；铁氧化物被碳还原、碳化，生成铁和碳化铁。高温下碳溶于铁和碳化铁并从中析出生成石墨碳，在铁的催化作用下生成碳纳米管；同时由于石墨碳中氮的存在，得到氮掺杂碳纳米管。

(3)高温下碳化铁呈现为熔融状态，在管壁厚度增加的作用力和管内表面张力的作用下沿掺氮碳纳米管轴运动，最终实现碳化铁在掺氮碳纳米管内的填充。

(5)温度进一步升高至800℃有利于碳纳米管的生成，提高碳的石墨化程度，制备的碳纳米管具有合适的铁填充量，氮掺杂量和掺杂形式。

(6)制备温度超过800℃时，氮和铁都容易从碳纳米管中析出，导致氮掺杂量和铁填充量过低。

(7)氰胺类含氮有机物既是氮源也是碳源，掺杂前驱体中的掺杂元素则是类似氮在高温下掺入石墨碳的六元环。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)与传统的气相沉积法相比较，本发明制备的碳化铁填充掺杂碳纳米管具有铁填充率高，产量高，前驱体成本低等优点。

(2)与高温高压固相热解法相比，本发明具有制备条件温和，设备要求低，前驱体成本低等优点。

(3)与浮游催化化学气相沉积法相比，本发明具有制备方法简单，设备要求低，前驱体利用率高的优点。

(4)本发明通过简单的热分解铁盐和含氮有机物等，制备得到碳化铁填充的氮掺杂或氮，磷、硫、硼共掺杂碳纳米管，所制备的碳化铁填充掺杂碳纳米管的长度均一，碳化铁填充均匀，填充率高，产物收率高。

附图说明

图1为实施例1中碳化铁填充氮掺杂碳纳米管的SEM图。

图2为实施例1中碳化铁填充氮掺杂碳纳米管的TEM图。

图3为实施例1中碳化铁填充氮掺杂碳纳米管的电子探针X射线显微分析(EPMA)结果图。

图4为实施例1中碳化铁填充氮掺杂碳纳米管的X射线光电子能谱分析(XPS)图。

图5为实例1中碳化铁填充氮掺杂碳纳米管的X射线衍射(XRD)图。

图6为实施例2碳化铁填充硼氮共掺杂碳纳米管的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

碳化铁填充氮掺杂碳纳米管的制备：

将1.5g六水合氯化铁和1.5g三聚氰胺溶解分散于100mL乙醇溶液，超声半小时后，放入110℃烘箱干燥12h。将干燥得到的混合粉末研磨均匀，放入瓷舟中，置于管式炉高温区。以160mL/min的速率向管式炉中通入Ar，以10℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，自然冷却至室温，得到黑色粉末。将黑色粉末放入200mL、2mol/L的盐酸溶液中酸洗6h，过滤干燥，得到碳化铁填充氮掺杂碳纳米管，样品的重量为0.4g，铁填充量为27％左右。

所得碳化铁填充氮掺杂碳纳米管样品的SEM图如图1所示，从图1可以看到，所得样品非常纯净，碳纳米管直径为100nm左右，碳化铁均匀分布在碳纳米管内。样品的TEM图如图2所示，结果和SEM一致，同时可见碳纳米管管壁较薄。样品的EPMA如图3及表1所示,说明从体相上分析，铁的含量为28.14％，氮的含量为0.67％。样品的XPS结果如图4及表1所示，结果显示表面铁的含量为0.73％，表面氮的含量为5.9％。图3、4的结果说明所制备的碳化铁填充氮掺杂碳纳米管，铁主要填充在管内，而氮主要掺杂在碳纳米管表面。样品的XRD结果(图5)说明填充的铁以碳化铁形式存在。

表1样品的EPMA结果

实施例2

碳化铁填充氮硼共掺杂碳纳米管的制备：

将1.5g六水合氯化铁，1.5g三聚氰胺，0.2g硼酸溶解分散于100ml乙醇溶液，超声半小时后，放入110℃烘箱干燥12h。将干燥得到的混合粉末研磨均匀，放入瓷舟中，置于管式炉高温区。以160mL/min的速率向管式炉中通入Ar，以10℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，自然冷却至室温，得到黑色粉末。将黑色粉末放入200mL、2mol/L的盐酸溶液中酸洗6h，过滤干燥，得到碳化铁填充氮硼掺杂碳纳米管，样品的重量为0.4g，铁填充量为：20％左右。

所得碳化铁填充氮硼共掺杂碳纳米管样品的SEM图如图6所示，硼的加入改变了管的结构，碳纳米管的直径增加到200nm左右，管壁也明显增厚，纯度也有所下降。

实施例3

碳化铁填充氮磷共掺杂碳纳米管的制备：

将0.5g六水合氯化铁，1.5g三聚氰胺，0.2mL磷酸溶解分散于100ml乙醇溶液，超声半小时后，放入110℃烘箱干燥12h。将干燥得到的混合粉末研磨均匀，放入瓷舟中，置于管式炉高温区。以160mL/min的速率向管式炉中通入Ar，以10℃/min的升温速率升温至900℃，保持2h，自然冷却至室温，得到黑色粉末。将黑色粉末放入200mL、2mol/L的盐酸溶液中酸洗6h，过滤干燥，得到碳化铁填充氮磷掺杂碳纳米管，样品的重量为0.4g，铁填充量为：20％左右。

实施例4

碳化铁填充氮硫共掺杂碳纳米管的制备：

将0.5g六水合氯化铁，1.5g三聚氰胺，0.2g苯硫醚溶解分散于100ml乙醇溶液，超声半小时后，放入110℃烘箱干燥12h。将干燥得到的混合粉末研磨均匀，放入瓷舟中，置于管式炉高温区。以160mL/min的速率向管式炉中通入Ar，以10℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，自然冷却至室温，得到黑色粉末。将黑色粉末放入200mL、2mol/L的盐酸溶液中酸洗6h，过滤干燥，得到碳化铁填充氮硫掺杂碳纳米管，样品的重量为0.4g，铁填充量为：20％左右。

实施例5

将1gFeCl₃，0.5g三聚氰胺，0.1g三苯基磷溶解分散于100ml乙醇溶液，超声半小时后，放入120℃烘箱干燥5h。将干燥得到的混合粉末研磨均匀，放入瓷舟中，置于管式炉高温区。以160mL/min的速率向管式炉中通入Ar，以5℃/min的升温速率升温至700℃，保持4h，自然冷却至室温，得到黑色粉末。将黑色粉末放入200mL、2mol/L的盐酸溶液中酸洗6h，过滤干燥，得到碳化铁填充氮硼掺杂碳纳米管，样品的重量为0.2g，铁填充量为：30％左右。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，例如，上述实施例中氯化铁还可为硝酸铁、硫酸铁、乙酸铁或二茂铁，氩气还可以为氮气等；其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，所述铁盐为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、乙酸铁或二茂铁。

3.根据权利要求1所述的原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，步骤一所述干燥，具体为：

在100～120℃干燥5～12h。

4.根据权利要求1所述的原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，步骤一所述氰胺类含氮有机物前驱体为三聚氰胺、双氰胺、氰胺、尿素、六亚甲基四胺中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的原位制备碳化铁填充掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，步骤二所述惰性气体为Ar或N₂气。