含氮含硫碳纳米管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种含氮含硫碳纳米管及其制备方法和应用。其中制备方法，通过以含硫氮的烃类混合物为碳源，在纳米金属催化剂的作用下进行裂解，从而制备得到含氮含硫碳纳米管。本发明专利技术通过以含硫氮的烃类混合物为碳源，在纳米金属催化剂的作用下进行裂解，实现了原位掺杂制备含氮含硫碳纳米管，实现了含氮含硫碳纳米管的高效制备。米管的高效制备。

【技术实现步骤摘要】
含氮含硫碳纳米管及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及碳纳米管制备
，特别是涉及一种含氮含硫碳纳米管及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]碳纳米管是一种新兴的低维纳米材料，主要由SP2杂化碳卷曲而成，具有化学稳定性高，强度高，比表面积大，导电性与半导体性可调，从而具有多种应用前景。
[0003]碳纳米管可由化学气相沉积法制备，该方法主要是采用催化剂高温下裂解碳源而得，其中，碳源通常为烃类、含碳氧化物(如CO)、塑料等，催化剂一般采用由过渡金属Fe、Cu、Ni、Co、Cr等构成的普通催化剂。但目前上述碳纳米管的制备存在以下问题：1)制备反应常常生成甲烷，氢气等副产物，基于碳源质量的碳纳米管收率大部分限制在50％～70％。2)目前碳纳米管主要采用碳数低8的有机物为原料，缺少采用碳源质量高于80％的原料的制备方法。3)制备规模越大，需要处理的低价值尾气就越大，导致经济性不佳。
[0004]另一方面现有技术中对于碳纳米管的掺杂也多有报道，比如掺氮，掺硼，掺硫，掺磷等，通过掺杂来改变碳纳米管的各种性能。但是，目前的掺杂方法，大多是先制备碳纳米管，然后进行专门掺杂。即只能采用两步法制备，其主要原因是催化剂不能耐氮或硫，易失活，因而采用间接方法；而这种间接方法，会造成资源浪费程度高，导致制备成本较高。

技术实现思路

[0005]基于上述问题，本专利技术的一个实施方式中的目的在于提供一种含氮含硫碳纳米管及其制备方法和应用，以实现碳纳米管的原位掺杂，实现含氮含硫碳纳米管高效制备。本专利技术的上述目的可以通过以下技术方案实现的：
[0006]根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供的一种含氮含硫碳纳米管的制备方法，是通过以含硫氮的烃类混合物为碳源，在纳米金属催化剂的作用下进行裂解，得到所述含氮含硫碳纳米管。
[0007]可选地，所述烃类混合物，其硫含量为0.02％～4％，氮含量为0.02％～5％。可选地，所述烃类混合物富含芳烃和/或环烷烃，其中，芳烃与环烷烃总含量为40％～80％。可选地，所述烃类混合物为含硫氮的C
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C
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的富含芳烃和/或环烷烃的烃类混合物。
[0008]可选地，所述纳米金属催化剂包括主活性相金属、助剂和载体，其中，所述主活性相金属和助剂形成的复合纳米颗粒镶嵌于所述载体的孔中。
[0009]可选地，所述复合纳米颗粒的尺寸为0.1nm～10nm。
[0010]可选地，所述复合纳米颗粒中有1/4～1/3的体积镶嵌于所述载体的孔中。
[0011]可选地，所述复合纳米颗粒与载体的结合力为1000N～5000N。
[0012]可选地，所述纳米金属催化剂，按照质量百分比计，主活性相金属为5％～20％，所述助剂为3％～10％，其余为载体。
[0013]可选地，所述主活性相金属为铁、镍、钴中的一种或多种。所述助剂为钼、铜、锰、
锌、钨中的一种或多种。所述载体为氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锆、氧化钙中的一种或多种。
[0014]可选地，裂解时，温度为700℃～950℃，制备压力为0.01MPa～2MPa，基于碳源的质量空速为0.01h
‑1～2h
‑1，裂解时间为0.5h～240h。进一步地，烃类碳源分压为10％～100％，其余为载体。
[0015]可选地，所述含氮含硫碳纳米管基于碳源的收率为90％～95％。
[0016]根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供的一种含氮含硫碳纳米管，采用所述的含氮含硫碳纳米管的制备方法制备得到。其中，所述含氮含硫碳纳米管中，碳含量为93％～99.95％，硫含量为0.02％～4％，氮含量为0.03％～3％。进一步地，所述含氮含硫碳纳米管中，碳层晶面内长度为17nm～100nm，碳纳米管的直径为0.5nm～100nm。
[0017]根据本专利技术的还一个方面，本专利技术提供的一种含氮含硫碳纳米管在导电材料、导热材料或吸附材料中的应用，所述含氮含硫碳纳米管采用所述的含氮含硫碳纳米管的制备方法制备得到。可选地，所述含氮含硫碳纳米管作为超级电容器的电极材料、高分子的导电增强与导热材料、陶瓷材料的导电增强与导热材料、锂离子电池中的导电剂、或有机物的吸附剂。
[0018]有益效果：本专利技术以含硫氮的烃类混合物为碳源，在纳米金属催化剂的作用下进行裂解，实现了原位掺杂制备含氮含硫碳纳米管，实现了含氮含硫碳纳米管的高效制备。
具体实施方式
[0019]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]本专利技术提供的一种含氮含硫碳纳米管的制备方法，是以含硫氮的烃类混合物为碳源，在纳米金属催化剂的作用下进行裂解，从而实现了原位掺杂且高效的含氮含硫碳纳米管的制备。
[0021]本专利技术中，采用含硫氮的烃类混合物为碳源，经纳米金属催化剂作用下裂解，实现了碳纳米管氮硫原位掺杂。优选地，采用含硫氮的富含芳烃和/或环烷烃的烃类混合物为碳源，芳烃与环烷烃总含量为40％～80％，采用该碳源实现了氮硫原位掺杂，并且提高了碳纳米管基于碳源的收率，还使碳纳米管生长时，微观上碳的自组装更加快速与结构完美，进而提高了碳纳米管性能。进一步地优选地，采用含硫氮的C
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C
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的富含芳烃和/或环烷烃的烃类混合物为碳源，例如柴油、石脑油等，传统制备碳纳米管的原料通常为小分子有机物(如丙烯、乙烯、乙醇等)，本专利技术的原料常是制备这些小分子的原料，相比目前先制备小分子再将小分子作为碳源来制备碳纳米管的繁琐程序，本专利技术直接采用C
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原料作为碳源，简化制备过程，降低了成本，提供可一种碳数C
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C
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制备碳纳米管制备方法。
[0022]本专利技术中，碳源在纳米金属催化剂作用下裂解，实现了含氮含硫碳纳米管的原位且高效制备。进一步地，所述纳米金属催化剂包括主活性相金属、助剂和载体；其中，所述主活性相金属和助剂形成的复合纳米颗粒镶嵌于所述载体的孔中。更进一步地，所述复合纳
米颗粒的尺寸为0.1nm～10nm。所述复合纳米颗粒中有1/4～1/3的体积镶嵌于所述载体的孔中。所述复合纳米颗粒与载体的结合力为1000N～5000N。优选地，所述纳米金属催化剂，按照质量百分比计，主活性相金属为5％～20％，所述助剂为3％～10％，其余为载体。其中，所述主活性相金属为铁、镍、钴中的一种或多种；所述助剂为钼、铜、锰、锌、钨中的一种或多种；所述载体为氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锆、氧化钙中的一种或多种。采用上述的纳米金属催化剂，利用高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含氮含硫碳纳米管的制备方法，其特征在于，以含硫氮的烃类混合物为碳源，在纳米金属催化剂的作用下进行裂解，得到所述含氮含硫碳纳米管。2.根据权利要求1所述的含氮含硫碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述烃类混合物富含芳烃和/或环烷烃，其中，芳烃与环烷烃总含量为40％～80％。3.根据权利要求2所述的含氮含硫碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述烃类混合物为含硫氮的C
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的富含芳烃和/或环烷烃的烃类混合物；所述烃类混合物，其硫含量为0.02％～4％，氮含量为0.02％～5％。4.根据权利要求1所述的含氮含硫碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述纳米金属催化剂包括主活性相金属、助剂和载体，其中，所述主活性相金属和助剂形成的复合纳米颗粒镶嵌于所述载体的孔中。5.根据权利要求4所述的含氮含硫碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述复合纳米颗粒的尺寸为0.1nm～10nm；所述复合纳米颗粒中有1/4～1/3的体积镶嵌于所述载体的孔中；所述复合纳米颗粒与载体的结合力为1000N～5000N。6.根据权利要求4所述的含氮含硫碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述纳米金属催化剂，按照质量百分比计，主活性相金属为5％～20％，所述助剂为3％～10％，其余为载体；其中，所述主活性相金属为铁、镍、钴中的一种或多种；所述助剂为钼、铜、锰、锌、钨中的一种或多种；所述载体为氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锆、氧化钙中的一种或多种。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔超婕，骞伟中，于翔，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：