專利名稱：一種竹節狀氮摻雜碳納米管材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種竹節狀氮摻雜碳納米管材料及其制備方法，應用于燃料電池的陰極催化劑以及生物催化等技術領域。
背景技術：
以負載Pt碳納米管為陰極催化劑的堿性燃料電池在1960年被發明，并且一直以來這種納米材料的催化劑被認為是燃料電池中催化效果最好的催化劑。然而，長時間以來并沒有實現燃料電池的大批量生產及應用。這主要是因為=Pt-C催化劑中Pt價格昂貴，并且自然界中Pt的存儲量有限。因此，以Pt-C為催化劑的燃料電池并沒有在實際生活中得到廣泛的應用。最近，科學家們正致力于研究一種新型材料來取代Pt-C作燃料電池陰極催化劑。目前為止，文獻J. Am. Chem. Soc. ,2010,132，15839報道了采用生物酶的催化系統作 為催化劑；Carbon, 2010,48,1498 報道了(3,4-ethylenedioxythiophene)聚合膜作為催化劑；文獻Science，2009，323，760報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。上述三種技術方案存在的主要缺陷是操作繁瑣，合成困難。
發明內容
本發明公開了一種竹節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有技術存在的操作繁瑣，合成困難等問題，本發明以簡單的氣相沉積法合成竹節狀氮摻雜碳納米管，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于現在正在使用的Pt-C催化劑，而且在細胞毒性試驗中顯示了無毒的生物性能，本發明將使該納米材料的應用得到進一步推廣。本發明技術方案是這樣實現的一種竹節狀氮摻雜碳納米管材料，所述納米管的管子內直徑為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，其結果簡式如下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本發明竹節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反應中作陰極催化劑，其催化特性是通過循環伏安法檢測的，在循環伏安試驗中，電壓是，0. 2V-0. 5V ;電流強度是2. 00-3. 5A/cm2。2、在生物毒性試驗中，竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料表現了無生物毒性。本發明竹節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于現在正在使用的Pt-C催化劑，而且在細胞毒性試驗中顯示了無毒的生物性能；本發明竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料的制備方法步驟簡單，易于操作，價格低廉，本發明將使燃料電池的應用得到進一步推廣，可能使竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料在其他領域得到更廣泛的應用.
圖I是本發明實施例I合成的竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料的透射電鏡照片；圖2是本發明實施例2和實施例4合成的竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料的循環伏安圖；圖3是本發明竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料的細胞毒性試驗結果圖。
具體實施方式
·以下結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。一種竹節狀氮摻雜碳納米管材料，所述納米管的管子內直徑為5_15nm ;外直徑為10-20nm ;壁厚為5_10nm ;管子的C/N比是6_10。竹節狀氮摻雜碳納米管材料的制備方法如下實施例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是本發明實施例I合成的竹節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于現在正在使用的Pt-C催化劑，而且在細胞毒性試驗中顯示了無毒的生物性能。實施例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是本發明實施例2和實施例4合成的竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料的循環伏安圖；該圖表明隨著溫度升高，竹節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反應中催化活性降低。圖3是本發明實施例2和實施例4的竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料的細胞毒性試驗結果圖，該圖表明在溶液中碳納米管濃度從0. 1-1.0毫克/毫升的變化過程中，含有700° C和900° C合成的竹節狀氮摻雜碳納米管納米材料溶液中細胞的含量沒有降低，含有商業碳納米管和商業附載鉬碳納米管材料的溶液中細胞含量從80-90%下降到 70-60%。
權利要求
1.一種竹節狀氮摻雜碳納米管材料，其特征在于所述竹節狀氮摻雜碳納米管的管子內直徑為5_15nm ;外直徑為10_20nm ;壁厚為5_10nm ;管子的碳氮比是6_10。
2.根據權利要求I所述的一種竹節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.根據權利要求2所述的一種竹節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，其結果簡式如下CH3-CH- (NH2)-CH2-CH3。
4.根據權利要求2所述的一種竹節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
一種竹節狀氮摻雜碳納米管材料，管子內直徑為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，其結果簡式為CH3-CH-(NH2)-CH2-CH3。本發明制備的這種竹節狀氮摻雜碳納米管材料具有優異的電化學催化性能，并且細胞毒性試驗表明這種氮摻雜碳納米管材料是無生物毒性的。
文檔編號B82Y30/00GK102790224SQ201210303500
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月23日 優先權日2012年8月23日
發明者王利軍, 靳海英 申請人:上海第二工業大學