本發明涉及碳材料，具體提供氮摻雜碳納米管及其制備方法和應用。

背景技術：

1、研究發現雜原子摻雜能夠改變或增強碳材料的某些性能，比如氮摻雜的碳納米管擁有更好的催化性能和電化學性能，能夠代替貴金屬催化劑降低成本，也能夠應用于超級電容器提高其儲能能力。

2、化學氣相沉積(cvd)是目前成本較低、操作方便的一種制備氮摻雜碳納米管的方法。常規cvd法通常能夠實現原位合成，例如，在加入碳源的同時加入氮源，前者通過通入乙烯氣體與注入乙腈液體的組合，后者則通過通入乙炔氣體與氨氣氣體的組合，同步進行碳納米管生長以及氮摻雜，但該工藝需先通入氫氣還原活化催化劑，且對前驅體比例調配以及通入前驅體時間的控制要求高，所用前驅體具有腐蝕性、毒性或危險性。也有現有技術對碳納米管進行表面修飾實現氮摻雜，但該方法需要對前驅體進行一系列的預處理，步驟復雜，耗時長，得到的氮摻雜碳納米管不均勻，無法進行高效制備。因此開發一種方便、安全、高效的氮摻雜碳納米管的制備方法十分重要。

3、因此，亟需開發一種氮摻雜碳納米管的制備方法。

技術實現思路

1、本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提供氮摻雜碳納米管及其制備方法和應用，本發明的方法簡單、安全、成本低、可批量生產，可制得長度長的氮摻雜碳納米管。

2、為此，本發明第一方面提供氮摻雜碳納米管的制備方法，包括以下步驟：

3、在450℃-550℃條件下，分解固相碳氮化合物，得到還原氣體和前驅體；在700℃-800℃條件下，將所述還原氣體與催化劑接觸，對催化劑進行還原；

4、在惰性氛圍和650℃-750℃條件下，分解所述前驅體，得到氣態碳源和氣態氮源；

5、在惰性氛圍和900℃-1000℃條件下，將所述氣態碳源、所述氣態氮源和還原后的催化劑接觸，在所述還原后的催化劑上沉積氮摻雜碳納米管；

6、所述催化劑包括可溶性二價金屬的氫氧化物、可溶性三價金屬的氫氧化物和可溶性六價金屬的氫氧化物。

7、本發明使用單一固相碳氮化合物作為唯一碳源和氮源，通過獨立控制固相碳氮化合物和催化劑的溫度，將固相碳氮化合物的熱解過程和催化劑催化生長碳納米管的過程進行分步耦合，達到高效生長超長氮摻雜碳納米管的目的。

8、本發明的催化劑上的金屬組分被還原，析出大量且密集的金屬納米顆粒，所得金屬納米顆粒可吸收并催化碳源和氮源分子最終生長出氮摻雜碳納米管。

9、本發明可實現一步原位合成氮摻雜碳納米管，方法簡單、安全、成本低、可批量生產，可制得長度長、氮含量高、表面光滑干凈、雜質少、產率高的氮摻雜碳納米管。

10、在本發明的一些實施方案中，所述固相碳氮化合物在所述催化劑的上游。

11、在本發明的一些實施方案中，所述固相碳氮化合物和所述催化劑的質量比為(100～150)：1。

12、在本發明的一些實施方案中，所述固相碳氮化合物包括尿素、單氰胺、雙氰胺、三聚氰胺中的一種或多種。

13、在本發明的一些實施方案中，所述惰性氛圍由氬氣、氮氣、氦氣中的一種或多種提供。

14、在本發明的一些實施方案中，所述分解固相碳氮化合物的時間為0.5h-2h。

15、在本發明的一些實施方案中，所述分解所述前驅體的時間為0.5h-2h。

16、在本發明的一些實施方案中，所述沉積氮摻雜碳納米管的時間為0.5h-2h。

17、在本發明的一些實施方案中，所述可溶性二價金屬包括mg、zn、ca、mn、fe、co、ni和cu中的至少一種。

18、在本發明的一些實施方案中，所述可溶性三價金屬包括cr、al、ru、fe、co中的至少一種。

19、在本發明的一些實施方案中，所述可溶性六價金屬包括鎢和/或鉬。

20、在本發明的一些實施方案中，所述催化劑的堆密度為0.01g/cm3-0.20g/cm3。

21、在本發明的一些實施方案中，所述催化劑的制備方法包括：

22、在溶劑的存在條件下，將可溶性二價金屬離子、可溶性三價金屬離子和可溶性六價金屬酸根混合，調節ph至6-11；在25℃-150℃下反應；干燥，得到催化劑。

23、本發明第二方面提供所述的氮摻雜碳納米管的制備方法制得的氮摻雜碳納米管；所述氮摻雜碳納米管的長度為1μm-10μm；所述氮摻雜碳納米管的氮碳比(n/c)為8％-9％。

24、本發明第三方面提供所述的氮摻雜碳納米管的制備方法制得的氮摻雜碳納米管和/或所述的氮摻雜碳納米管在(1)～(3)中至少一種的應用；

25、(1)制備催化材料；

26、(2)制備傳感器材料；

27、(3)制備電極材料。

28、本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

技術特征：

1.氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，所述固相碳氮化合物在所述催化劑的上游。

3.根據權利要求1所述的氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，所述固相碳氮化合物和所述催化劑的質量比為(100～150)：1。

4.根據權利要求1所述的氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，所述固相碳氮化合物包括尿素、單氰胺、雙氰胺、三聚氰胺中的一種或多種。

5.根據權利要求1所述的氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，所述惰性氛圍由氬氣、氮氣、氦氣中的一種或多種提供。

6.根據權利要求1所述的氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，所述分解固相碳氮化合物的時間為0.5h-2h；和/或，

7.根據權利要求1所述的氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，所述可溶性二價金屬包括mg、zn、ca、mn、fe、co、ni和cu中的至少一種；和/或，

8.根據權利要求1所述的氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，所述催化劑的堆密度為0.01g/cm3-0.20g/cm3。

9.根據權利要求1所述的氮摻雜碳納米管的制備方法，其特征在于，所述催化劑的制備方法包括：

10.權利要求1-9任一項所述的氮摻雜碳納米管的制備方法制得的氮摻雜碳納米管；所述氮摻雜碳納米管的長度為1μm-10μm；所述氮摻雜碳納米管的氮碳比為8％-9％。

11.權利要求1-9任一項所述的氮摻雜碳納米管的制備方法制得的氮摻雜碳納米管和/或權利要求10所述的氮摻雜碳納米管在(1)～(3)中至少一種的應用；

技術總結
本發明涉及碳材料技術領域，具體提供氮摻雜碳納米管及其制備方法和應用。本發明的氮摻雜碳納米管的制備方法包括以下步驟：在450℃?550℃條件下，分解固相碳氮化合物，得到還原氣體和前驅體；在700℃?800℃條件下，將所述還原氣體與催化劑接觸，對催化劑進行還原；在惰性氛圍和650℃?750℃條件下，分解所述前驅體，得到氣態碳源和氣態氮源；在惰性氛圍和900℃?1000℃條件下，將所述氣態碳源、所述氣態氮源和還原后的催化劑接觸。本發明獨立控制固相碳氮化合物和催化劑的溫度，將固相碳氮化合物的熱解過程和催化劑催化生長碳納米管的過程進行分步耦合，制備超長氮摻雜碳納米管。

技術研發人員：裘植,孫麗,丘禮銘,葉啟開,高希成,楊博華,鄭超
受保護的技術使用者：甬江實驗室
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28