專(zhuān)利名稱(chēng)：一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料及其制備方法，應(yīng)用于燃料電池的陰極催化劑以及生物催化等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以負(fù)載Pt碳納米管為陰極催化劑的堿性燃料電池在1960年被發(fā)明，并且一直以來(lái)這種納米材料的催化劑被認(rèn)為是燃料電池中催化效果最好的催化劑。然而，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)燃料電池的大批量生產(chǎn)及應(yīng)用。這主要是因?yàn)?Pt-C催化劑中Pt價(jià)格昂貴，并且自然界中Pt的存儲(chǔ)量有限。因此，以Pt-C為催化劑的燃料電池并沒(méi)有在實(shí)際生活中得到廣泛的應(yīng)用。最近，科學(xué)家們正致力于研究一種新型材料來(lái)取代Pt-C作燃料電池陰極催化劑。目前為止，文獻(xiàn)J. Am. Chem. Soc. ,2010,132，15839報(bào)道了采用生物酶的催化系統(tǒng)作 為催化劑；Carbon, 2010,48,1498 報(bào)道了(3,4-ethylenedioxythiophene)聚合膜作為催化劑；文獻(xiàn)Science，2009，323，760報(bào)道了合成垂直于基板的氮摻雜碳納米管材料在堿性燃料電池中具有催化性能。上述三種技術(shù)方案存在的主要缺陷是操作繁瑣，合成困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料及其制備方法，其目的在于可以有效克服現(xiàn)有技術(shù)存在的操作繁瑣，合成困難等問(wèn)題，本發(fā)明以簡(jiǎn)單的氣相沉積法合成竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管，該納米材料不僅在堿性燃料電池中作為陰極催化劑顯示了明顯優(yōu)于現(xiàn)在正在使用的Pt-C催化劑，而且在細(xì)胞毒性試驗(yàn)中顯示了無(wú)毒的生物性能，本發(fā)明將使該納米材料的應(yīng)用得到進(jìn)一步推廣。本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料，所述納米管的管子內(nèi)直徑為5_15nm ;外直徑為10-20nm;壁厚為5_10nm ;管子的碳氮比(C/N)是6_10。竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料的制備方法，將0. 5g鎳Y分子篩(NiY)催化劑裝入小瓷舟中，加熱到873-1173K，然后以20mL min-1的流速通入N2/仲丁胺混合氣，恒溫保持Ih,自然冷卻，即得到不同摻氮量的黑色的氮摻雜的碳納米管材料。所述的碳源仲丁胺，其結(jié)果簡(jiǎn)式如下CH3-CH- (NH2)-CH2-CH3。所述的N2/仲丁胺混合氣中，N2與仲丁胺體積比為0.92 0. 08o本發(fā)明竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料具有如下特性I、在氧氣在堿性溶液中還原的電化學(xué)反應(yīng)中作陰極催化劑，其催化特性是通過(guò)循環(huán)伏安法檢測(cè)的，在循環(huán)伏安試驗(yàn)中，電壓是，0. 2V-0. 5V ;電流強(qiáng)度是2. 00-3. 5A/cm2。2、在生物毒性試驗(yàn)中，竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料表現(xiàn)了無(wú)生物毒性。本發(fā)明竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料，不僅在堿性燃料電池中作為陰極催化劑顯示了明顯優(yōu)于現(xiàn)在正在使用的Pt-C催化劑，而且在細(xì)胞毒性試驗(yàn)中顯示了無(wú)毒的生物性能；本發(fā)明竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料的制備方法步驟簡(jiǎn)單，易于操作，價(jià)格低廉，本發(fā)明將使燃料電池的應(yīng)用得到進(jìn)一步推廣，可能使竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料在其他領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用.


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I合成的竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料的透射電鏡照片；圖2是本發(fā)明實(shí)施例2和實(shí)施例4合成的竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料的循環(huán)伏安圖；圖3是本發(fā)明竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料的細(xì)胞毒性試驗(yàn)結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
·以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料，所述納米管的管子內(nèi)直徑為5_15nm ;外直徑為10-20nm ;壁厚為5_10nm ;管子的C/N比是6_10。竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料的制備方法如下實(shí)施例I :將0. 5g NiY催化劑裝入小瓷舟中，加熱到873K，然后以20mL min-1的流速通入N2/有仲丁胺混合氣(體積比0. 92 0. 08)，恒溫保持lh，自然冷卻，即得到不同摻氮量的黑色的氮摻雜的碳納米管材料。圖I是本發(fā)明實(shí)施例I合成的竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料的透射電鏡照片；管子直徑大約是30-40nm，該材料在堿性燃料電池中作為陰極催化劑顯示了明顯優(yōu)于現(xiàn)在正在使用的Pt-C催化劑，而且在細(xì)胞毒性試驗(yàn)中顯示了無(wú)毒的生物性能。實(shí)施例2 將0. 5g NiY催化劑裝入小瓷舟中，加熱到973K，然后以20mL min-1的流速通入N2/有仲丁胺混合氣(體積比0. 92 0. 08)，恒溫保持lh，自然冷卻，即得到不同摻氮量的黑色的氮摻雜的碳納米管材料。實(shí)施例3 將0. 5g NiY催化劑裝入小瓷舟中，加熱到1073K，然后以20mL -min-1的流速通入N2/有仲丁胺混合氣(體積比0. 92 0. 08)，恒溫保持lh，自然冷卻，即得到不同摻氮量的黑色的氮摻雜的碳納米管材料。實(shí)施例4 將0. 5g NiY催化劑裝入小瓷舟中，加熱到1173K，然后以20mL -min-1的流速通入N2/有仲丁胺混合氣(體積比0. 92 0. 08)，恒溫保持lh，自然冷卻，即得到不同摻氮量的黑色的氮摻雜的碳納米管材料。圖2是本發(fā)明實(shí)施例2和實(shí)施例4合成的竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料的循環(huán)伏安圖；該圖表明隨著溫度升高，竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料氧氣在堿性溶液中還原的電化學(xué)反應(yīng)中催化活性降低。圖3是本發(fā)明實(shí)施例2和實(shí)施例4的竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料的細(xì)胞毒性試驗(yàn)結(jié)果圖，該圖表明在溶液中碳納米管濃度從0. 1-1.0毫克/毫升的變化過(guò)程中，含有700° C和900° C合成的竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管納米材料溶液中細(xì)胞的含量沒(méi)有降低，含有商業(yè)碳納米管和商業(yè)附載鉬碳納米管材料的溶液中細(xì)胞含量從80-90%下降到 70-60%。
權(quán)利要求
1.一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料，其特征在于所述竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管的管子內(nèi)直徑為5_15nm ;外直徑為10_20nm ;壁厚為5_10nm ;管子的碳氮比是6_10。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料的制備方法，其特征在于將0. 5g鎳Y分子篩催化劑裝入小瓷舟中，加熱到873-1173K，然后以20mL -min-1的流速通A N2/仲丁胺混合氣，恒溫保持lh，自然冷卻，即得到不同摻氮量的黑色的氮摻雜的碳納米管材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料的制備方法，其特征在于所述的碳源仲丁胺，其結(jié)果簡(jiǎn)式如下CH3-CH- (NH2)-CH2-CH3。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料的制備方法，其特征在于所述的N2/仲丁胺混合氣中，N2與仲丁胺體積比為0.92 0.08。
全文摘要
一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料，管子內(nèi)直徑為5-15nm；外直徑為10-20nm；壁厚為5-10nm；管子的碳氮比(C/N)比是6-10。制備方法將0.5g鎳Y分子篩(NiY)催化劑裝入小瓷舟中，加熱到873-1173K，然后以20mL·min-1的流速通入N2/仲丁胺混合氣，N2與仲丁胺體積比為0.92∶0.08；恒溫保持1h，自然冷卻，即得到不同摻氮量的黑色的氮摻雜的碳納米管材料；所述的碳源仲丁胺，其結(jié)果簡(jiǎn)式為CH3-CH-(NH2)-CH2-CH3。本發(fā)明制備的這種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管材料具有優(yōu)異的電化學(xué)催化性能，并且細(xì)胞毒性試驗(yàn)表明這種氮摻雜碳納米管材料是無(wú)生物毒性的。
文檔編號(hào)B82Y30/00GK102790224SQ201210303500
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月23日
發(fā)明者王利軍, 靳海英 申請(qǐng)人:上海第二工業(yè)大學(xué)