CN113136641B - 一种氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法，本发明采用氨硼烷作为氮、硼掺杂剂，苯甲醚作为非晶碳源，铜纤维为生长基底，通过气相法在基底上制备出氮、硼掺杂非晶碳纤维膜，纤维膜厚度从数纳米厚度到100纳米。表面生长有碳纤维膜的铜纤维，经过氯化铁溶解去除后，制备成氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜。本发明以氮、硼为掺杂剂，氮、硼原子的引入，易于非晶碳在铜纤维表面的异质成核；苯甲醚作为碳源，苯甲醚中的氧原子高温下对铜氧化刻蚀，在还原性气体氢的作用下，铜纤维表面粗糙度增加促进非晶碳的生长。制备的氮、硼掺杂非晶碳中空纤维，膜厚度可控、尺寸均匀、膜连续无气孔且表面粗糙度小。

Description

一种氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法。
背景技术
非晶碳材料具有较好的机械性能、电学性能、耐氧化抗腐蚀，近些年引起人们的关注，它可用于电极材料、光刻刻蚀掩膜版、电传感、固态润滑、超级电容器等领域，通过氮、硼掺杂后还有抑制细菌繁殖、吸收电磁波等性能。氮、硼掺杂非晶碳可通过固相烧结法，如硼砂、尿素和碳源共烧，溅射法等合成。但这些方法无法制备中空纤维膜。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法，本发明通过氮、硼掺杂制备了非晶碳中空纤维膜，可用于固体粉末、气体、液体过滤净化，电极制备等领域。
本发明采用氨硼烷作为氮、硼掺杂剂，苯甲醚作为非晶碳源，铜纤维为生长基底，通过气相法在基底上制备出氮、硼掺杂非晶碳纤维膜，纤维膜厚度从数纳米厚度到100纳米。纤维内径取决于铜纤维直径，从0.5微米至1000微米。表面生长有碳纤维膜的铜纤维，经过氯化铁溶解去除后，制备成氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜。
本发明一种硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜制备方法的具体步骤是：
步骤(1).以铜纤维为衬底，放入化学气相沉积系统中的石英管中；
步骤(2).将氨硼烷装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5％，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将氨硼烷蒸气载入化学气相沉积系统中；载有氨硼烷蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，载气流速为10-50sccm；装有氨硼烷的石英鼓泡器加热温度为40-90℃；
步骤(3).将苯甲醚装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5％，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将苯甲醚蒸气载入化学气相沉积系统中；载有苯甲醚蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，流速为20-100sccm；所述的氨硼烷与苯甲醚的质量比为0.025:5；
步骤(4).将化学气相沉积系统中的石英管，升温至900～1100℃，升温速率为20～30℃/min；温度升至900～1100℃后保温，保温时间为20～60min；
步骤(6).管式电炉、石英管停止加热，开启管式炉，将石英管室温环境下快速冷却到室温，然后取出基底，在铜纤维表面获得氮、硼掺杂的非晶碳薄膜；氮、硼掺杂浓度相同，掺杂浓度原子比为0.5-40％；
步骤(7).步骤(6)产物通过三氯化铁的盐酸溶液浸泡，溶解去除铜，获得硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜，膜厚度0.5μm-1000μm。
作为优选，所述的铜纤维的尺寸为0.5μm至1000μm。
作为优选，所述的铜纤维替换为镍纤维或铜镍合金纤维。
作为优选，石英管替换为刚玉管。
本发明以氮、硼为掺杂剂，氮、硼原子的引入，易于非晶碳在铜纤维表面的异质成核；苯甲醚作为碳源，苯甲醚中的氧原子高温下对铜氧化刻蚀，在还原性气体氢的作用下，铜纤维表面粗糙度增加促进非晶碳的生长。制备的氮、硼掺杂非晶碳中空纤维，膜厚度可控、尺寸均匀、膜连续无气孔且表面粗糙度小。
附图说明
图1为本发明实施的装置图。
具体实施方式
实施一：一种硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜制备方法的具体步骤是：
步骤(1).将直径为0.5μm铜纤维作为衬底，放入化学气相沉积系统中的石英管中；
步骤(2).将0.5g氨硼烷装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5％，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将氨硼烷蒸气载入化学气相沉积系统中；载有氨硼烷蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，载气流速为10sccm；装有氨硼烷的石英鼓泡器加热温度为40℃；
步骤(3).将1g苯甲醚装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5％，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将苯甲醚蒸气载入化学气相沉积系统中；载有苯甲醚蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，流速为20sccm；
步骤(4).将化学气相沉积系统中的石英管，升温至900℃，升温速率为20℃/min；温度升至900℃后保温，保温时间为20min；
步骤(6).管式电炉、石英管停止加热，开启管式炉，将石英管室温环境下快速冷却到室温，然后取出基底，在铜纤维表面获得氮、硼掺杂的非晶碳薄膜；氮、硼掺杂浓度相同，掺杂浓度原子比为2％；
步骤(7).步骤(6)产物通过三氯化铁的盐酸溶液浸泡，溶解去除铜，获得硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜，膜厚度1μm。
实施例二：一种硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜制备方法的具体步骤是：
步骤(1).将直径为1000μm镍纤维作为衬底，放入化学气相沉积系统中的刚玉管中；
步骤(2).将氨硼烷装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5％，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将氨硼烷蒸气载入化学气相沉积系统中；载有氨硼烷蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，载气流速为30sccm；装有氨硼烷的石英鼓泡器加热温度为60℃；
步骤(3).将10g苯甲醚装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5％，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将苯甲醚蒸气载入化学气相沉积系统中；载有苯甲醚蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，流速为50sccm；
步骤(4).将化学气相沉积系统中的刚玉管，升温至1000℃，升温速率为25℃/min；温度升至1000℃后保温，保温时间为40min；
步骤(6).管式电炉、刚玉管停止加热，开启管式炉，将刚玉管室温环境下快速冷却到室温，然后取出基底，在镍纤维表面获得氮、硼掺杂的非晶碳薄膜；氮、硼掺杂浓度相同，掺杂浓度原子比为20％；
步骤(7).步骤(6)产物通过三氯化铁的盐酸溶液浸泡，溶解去除铜，获得硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜，膜厚度120μm。
实施例三：一种硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜制备方法的具体步骤是：
步骤(1).将直径为1000μm铜镍合金纤维为衬底，放入化学气相沉积系统中的石英管中；
步骤(2).将5g氨硼烷装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5％，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将氨硼烷蒸气载入化学气相沉积系统中；载有氨硼烷蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，载气流速为50sccm；装有氨硼烷的石英鼓泡器加热温度为90℃；
步骤(3).将20g苯甲醚装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5％，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将苯甲醚蒸气载入化学气相沉积系统中；载有苯甲醚蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，流速为100sccm；
步骤(4).将化学气相沉积系统中的石英管，升温至1100℃，升温速率为30℃/min；温度升至1100℃后保温，保温时间为60min；
步骤(6).管式电炉、石英管停止加热，开启管式炉，将石英管室温环境下快速冷却到室温，然后取出基底，在铜纤维表面获得氮、硼掺杂的非晶碳薄膜；氮、硼掺杂浓度相同，掺杂浓度原子比为40％；
步骤(7).步骤(6)产物通过三氯化铁的盐酸溶液浸泡，溶解去除铜，获得硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜，膜厚度800μm。

Claims (4)

1.一种氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1.以铜纤维为衬底，放入化学气相沉积系统中的石英管中；
步骤2.将氨硼烷装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5%，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将氨硼烷蒸气载入化学气相沉积系统中；载有氨硼烷蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，载气流速为10-50 sccm；装有氨硼烷的石英鼓泡器加热温度为40-90 ℃；
步骤3.将苯甲醚装入石英鼓泡器中，鼓泡器一端连接载气氩氢，其中氢气体积占5%，一端连接化学气相沉积系统，通过载气将苯甲醚蒸气载入化学气相沉积系统中；载有苯甲醚蒸气的载气流量通过气体质量流量计控制，流速为20-100 sccm；所述的氨硼烷与苯甲醚的质量比为0.025:5；
步骤4.将化学气相沉积系统中的石英管，升温至900～1100℃，升温速率为20～30℃/min；温度升至900～1100℃后保温，保温时间为20～60 min；
步骤5.管式电炉、石英管停止加热，开启管式炉，将石英管室温环境下快速冷却到室温，然后取出基底，在铜纤维表面获得氮、硼掺杂的非晶碳薄膜；氮、硼掺杂浓度相同，其中氮原子的浓度为0.5-40 %；
步骤6.步骤5产物通过三氯化铁的盐酸溶液浸泡，溶解去除铜，获得硼、氮掺杂非晶碳中空纤维膜，膜厚度0.5μm-1000μm。
2.根据权利要求1所述的一种氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法，其特征在于：所述的铜纤维的尺寸为0.5μm至1000μm。
3.根据权利要求1所述的一种氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法，其特征在于：所述的铜纤维替换为镍纤维或铜镍合金纤维。
4.根据权利要求1所述的一种氮、硼掺杂非晶碳中空纤维膜的制备方法，其特征在于：石英管替换为刚玉管。
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