本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。更具體地,涉及一種氮摻雜碳納米片及其制備方法。

背景技術(shù)：

二維材料由于其特殊的結(jié)構(gòu)與性能，引起了人們極大的關(guān)注。目前，常見的二維材料主要包括石墨烯，硫化鎢，硫化鉬，氮化碳等材料。其中，石墨烯由于其特殊的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，成為目前研究最為廣泛的二維材料。但是，由于石墨烯沒有帶隙，在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大的限制。因此，在石墨烯表面制造缺陷，比如氮摻雜，成為石墨烯應(yīng)用的關(guān)鍵。氮摻雜石墨烯納米片由于比表面積大、電導(dǎo)率高、表面浸潤性好、表面催化活性點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)，因此可以作為電極材料，在鋰電池、超級電容器、燃料電池和染料敏化太陽能電池領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用。

目前，二維材料的氮摻雜技術(shù)，普遍是在氮?dú)夥諊鷥?nèi)將二維材料進(jìn)行高溫煅燒；或者將二維材料與含氮化合物一起高溫煅燒。雖然可以實(shí)現(xiàn)二維材料的氮摻雜，但是氮摻雜的量不亦控制，且一般來說制備成本偏高,不適用大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種氮摻雜碳納米片及其制備方法；通過該方法制備的氮摻雜碳納米片，不僅氮摻雜量可以控制，且操作簡便，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明第一方面提供了一種氮摻雜碳納米片的制備方法。

一種氮摻雜碳納米片的制備方法，包括如下步驟：

1)將殼聚糖或其衍生物和溶劑混合攪拌，得高聚物溶液；

2)將所述高聚物溶液進(jìn)行冷凍，得固體氣凝膠；

3)在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠進(jìn)行高溫煅燒，得固體粉末；

4)將所述固體粉末進(jìn)行球磨，得氮摻雜碳納米片。

本發(fā)明在第二方面提供了由本發(fā)明第一方面所述的制備方法得到的氮摻雜碳納米片。

優(yōu)選地，所述氮摻雜碳納米片的徑向尺寸為1-100μm，厚度為1-1000nm。

優(yōu)選地，本發(fā)明氮摻雜納米片不含無機(jī)物粒子?，F(xiàn)有技術(shù)中大多數(shù)氮摻雜碳納米片的制備方法都是使用含有氮元素的無機(jī)物粒子與含碳元素的物質(zhì)共同煅燒，煅燒之后會留下一部分無機(jī)物粒子，這樣會嚴(yán)重影響到納米片的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，所以不含有無機(jī)物粒子會最大程度保留碳納米片的性能。

所述氮摻雜納米片為粉末狀態(tài)。

本發(fā)明氮摻雜碳納米片的氮摻雜量為5％-20％，比表面積大于100m²/g，從而保證了氮摻雜碳納米片具有良好的電學(xué)性能、熱學(xué)性能、吸附性能和催化性能等。

本發(fā)明的有益效果如下：

通過本發(fā)明方法可制備氮摻雜量穩(wěn)定、比表面積大于100m²/g的氮摻雜碳納米片，而且制備方法簡便，成本低廉，綠色環(huán)保，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為殼聚糖的掃描電子顯微鏡照片。

圖2為羧甲基殼聚糖的掃描電子顯微鏡照片。

圖3為實(shí)施例7制備的氮摻雜碳納米片的掃描電子顯微鏡照片。

圖4為實(shí)施例4制備的氮摻雜碳納米片的掃描電子顯微鏡照片。

圖5為實(shí)施例5制備的氮摻雜碳納米片的原子力顯微鏡照片。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明第一方面提供一種氮摻雜碳納米片的制備方法。本發(fā)明使用溶劑將殼聚糖或其衍生物直接進(jìn)行溶解，然后冷凍干燥，高溫煅燒，球磨得氮摻雜碳納米片。

一種氮摻雜碳納米片的制備方法，包括如下步驟：

1)將殼聚糖或其衍生物和溶劑混合攪拌，得高聚物溶液；

2)將所述高聚物溶液進(jìn)行冷凍，得固體氣凝膠；

3)在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠進(jìn)行高溫煅燒，得固體粉末；

4)將所述固體粉末進(jìn)行球磨，得氮摻雜碳納米片。

在一些實(shí)施方式中，步驟2)具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：將所述高聚物溶液先通過液氮迅速冷凍，然后再放置在冷凍干燥機(jī)上進(jìn)行冷凍干燥，得固體氣凝膠。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟3)中，所述高溫煅燒的溫度為500-1000℃，高溫煅燒的時間為2-10h。本發(fā)明通過高溫煅燒可以將殘留的溶劑分子去除。

在一些實(shí)施方式中，殼聚糖衍生物為羧甲基殼聚糖、羥丙基殼聚糖、二羥丙基殼聚糖、n-三甲基殼聚糖或n-馬來?；瘹ぞ厶?。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述溶劑為乙酸、乙二酸、鹽酸、硫酸、硝酸、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、甲苯、苯、丙酮或水。

在一些實(shí)施方式中，所述殼聚糖或其衍生物與溶劑的質(zhì)量比為1:1-100；優(yōu)選地，所述殼聚糖或其衍生物與溶劑的質(zhì)量比為1:10-100。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)殼聚糖或其衍生物與溶劑的質(zhì)量比控制氮摻雜碳納米片的厚度。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述惰性氣體為氮?dú)猓瑲鍤?，氦氣中的一種或多種。

在一些實(shí)施方式中，所述球磨的速度為100-500rpm；優(yōu)選地，所述球磨的速度為100-300rpm。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述球磨采用旋轉(zhuǎn)型球磨機(jī)、振動型球磨機(jī)、行星型球磨機(jī)、碰撞型球磨機(jī)、研缽或臼式研磨儀進(jìn)行球磨。

在一些實(shí)施方式中，所述球磨的時間為1-100h；優(yōu)選地，所述球磨的時間為2-24h。

本發(fā)明在第二方面提供了由本發(fā)明第一方面所述的制備方法得到的氮摻雜碳納米片。

本發(fā)明經(jīng)過球磨操作有利于控制氮摻雜碳納米片徑向尺寸的大小。

本發(fā)明的氮摻雜納米片具有比表面積高和機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

另外注意的是，如果沒有特別說明，本發(fā)明所記載的任何范圍包括端值以及端值之間的任何數(shù)值以及以端值或者端值之間的任意數(shù)值所構(gòu)成的任意子范圍。

實(shí)施例1

將殼聚糖和乙酸按照1:50的質(zhì)量比混合，然后采用機(jī)械攪拌強(qiáng)力攪拌4h，使得殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于800℃下煅燒6h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以200rpm的轉(zhuǎn)速球磨1h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為109m²/g，氮摻雜量為8.5％，厚度為1-100nm，徑向尺寸為1-100μm。

實(shí)施例2

將殼聚糖和乙酸按照1:19的質(zhì)量比混合，然后采用機(jī)械攪拌強(qiáng)力攪拌4h，使得殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于800℃下煅燒6h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以200rpm的轉(zhuǎn)速球磨1h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為112m²/g，氮摻雜量為8.5％，厚度為10-200nm，徑向尺寸為1-200μm。

實(shí)施例3

將殼聚糖和乙酸按照1:199的質(zhì)量比混合，然后采用機(jī)械攪拌強(qiáng)力攪拌4h，使得殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于800℃下煅燒6h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以200rpm的轉(zhuǎn)速球磨1h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為169m²/g，氮摻雜量為8.5％，厚度為1-10nm，徑向尺寸為1-50μm。

實(shí)施例4

將殼聚糖和乙酸按照1:50的質(zhì)量比混合，然后采用磁力攪拌強(qiáng)力攪拌4h，使得殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于800℃下煅燒6h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以300rpm的轉(zhuǎn)速球磨1h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為123m²/g，氮摻雜量8.5％，厚度為1-100nm，徑向尺寸為1-50μm。

圖1為殼聚糖的掃描電子顯微鏡照片。

圖4為本發(fā)明制備的氮摻雜碳納米片的掃描電子顯微鏡照片。通過圖4可以看出本發(fā)明的氮摻雜碳納米片具有較大的徑向尺寸。

實(shí)施例5

將殼聚糖和乙酸按照1:50的質(zhì)量比混合，然后采用磁力攪拌強(qiáng)力攪拌4h，使得殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于600℃下煅燒6h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以200rpm的轉(zhuǎn)速球磨1h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為112m²/g，氮摻雜量8.5％，厚度為1-100nm，徑向尺寸為1-100μm。

本實(shí)施例制備的氮摻雜碳納米片的原子力顯微鏡照片如圖5所示，可以看出，氮摻雜碳納米片存在大量厚度為1-10nm的片層。

實(shí)施例6

將羧甲基殼聚糖和水按照1:50的質(zhì)量比混合，然后采用機(jī)械攪拌強(qiáng)力攪拌4h，使得羧甲基殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于800℃下煅燒6h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以200rpm的轉(zhuǎn)速球磨2h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為137m²/g，氮摻雜量為8.1％，厚度為1-50nm，徑向尺寸為1-80μm。

實(shí)施例7

將羧甲基殼聚糖和水按照1:20的質(zhì)量比混合，然后采用機(jī)械攪拌強(qiáng)力攪拌6h，使得羧甲基殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于600℃下煅燒4h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以100rpm的轉(zhuǎn)速球磨2h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為120m²/g，氮摻雜量為8.9％，厚度為1-100nm，徑向尺寸為1-150μm。

圖2為羧甲基殼聚糖的掃描電子顯微鏡照片。

圖3為本發(fā)明制備的氮摻雜碳納米片的掃描電子顯微鏡照片。通過圖3可以看出本發(fā)明的氮摻雜碳納米片具有較大的徑向尺寸。

實(shí)施例8

將羥丙基殼聚糖和乙酸按照1:50的質(zhì)量比混合，然后采用磁力攪拌強(qiáng)力攪拌4h，使得羥丙基殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于600℃下煅燒6h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以200rpm的轉(zhuǎn)速球磨1h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為129m²/g，氮摻雜量為8.7％，厚度為1-10nm，徑向尺寸為1-100μm。

實(shí)施例9

將羥丙基殼聚糖和乙酸按照1:50的質(zhì)量比混合，然后采用磁力攪拌強(qiáng)力攪拌4h，使得羥丙基殼聚糖充分溶解，得高聚物溶液；將所述高聚物溶液在液氮中迅速冷凍，然后置于冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48h，得固體氣凝膠；在惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將所述固體氣凝膠于800℃下煅燒6h，得固體粉末；將所述固體粉末采用行星式球磨機(jī)以200rpm的轉(zhuǎn)速球磨2h，得氮摻雜碳納米片。

所述氮摻雜碳納米片的比表面積為113m²/g，氮摻雜量為8.2％，厚度為1-100nm，徑向尺寸為1-100μm。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。