一種以立方體氧化亞銅為模板制備氮摻雜碳籠的方法
【專利說明】一種以立方體氧化亞銅為模板制備氮摻雜碳籠的方法
[0001]本申請是申請?zhí)枮椤?013107508443”、申請日為“2013.12.30”、發(fā)明名稱為“一種以立方體氧化亞銅為模板制備碳籠和氮摻雜碳籠的方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及納米材料技術領域，更具體地說是涉及利用立方體氧化亞銅作模板制備碳籠和氮摻雜碳籠的方法。
【背景技術】
[0003]氧化還原反應的緩慢動力學是限制燃料電池電化學能量轉化效率方面一個非常重要的因素，因此提高氧化還原反應催化劑的效率受到了廣泛的重視。Pt及其合金由于其所具有低超電勢和高電流密度一直以來都被認為是最有效的氧化還原反應催化劑。然而，因為Pt及其合金高成本、低產量、易甲醇中毒和穩(wěn)定性差限制了其在實際商業(yè)生產中的應用。因此，探索高效、性能穩(wěn)定和低成本的非貴金屬或者無金屬的催化劑用以代替Pt基催化劑材料具有重要商業(yè)價值與意義，相關研宄亦得到廣泛的關注。
[0004]近年來，各種各樣的碳材料(如碳納米管、石墨烯及石墨)因其具有獨特的物理化學性質在陰極氧氣還原反應中已經被廣泛研宄，認為是一類非常優(yōu)異的無金屬催化劑，很有可能代替Pt材料催化劑。事實上，為進一步提高碳材料催化劑的催化活性，一個非常有效的方法是引入雜原子(如N、S、P、B等)代替部分碳原子。例如，氮摻雜碳材料因為氮元素的電負性比碳元素高而擁有大量的正電荷位點，而這有利于提高材料本身的氧吸附性，進而提高了碳材料氧氣還原反應活性。事實上，在提高氧化還原反應活性方面，通過雜原子摻雜碳材料被認為是一種有效而普遍的方法。
[0005]碳納米籠，一種典型的碳材料，具有石墨碳殼和內部中空的結構。最近研宄發(fā)現，碳納米籠由于具有低的電流密度、高比表面積和優(yōu)異的電導率而在鋰電池、超級電容器、燃料電池等領域具有優(yōu)異的性能和良好的應用前景。電弧放電法，激光放射法和化學氣相沉淀法都被用于合成碳納米籠，然而，這幾種方法都因為具有反應條件苛刻、儀器復雜、成本高昂等原因無法大規(guī)模合成嚴重限制了碳納米籠的研宄?！恫牧匣瘜W雜志》(Journal ofMaterials Chemistry, 2011年21期5443頁)報道了利用高溫熱解法制備氮摻雜碳納米籠，但是設備特殊和條件限制嚴格無法大量生產氮摻雜碳納米籠?！断冗M材料》(AdvancedMaterials, 2012年24期5593頁)報道了利用含氮前驅體在高溫下制備氮摻雜型碳納米籠，但是其反應條件苛刻和成本高昂難以實現氮摻雜碳納米籠的實際應用。因此，為了提高此材料的實際應用，急需一種新的低成本的能大量制備碳籠和氮摻雜碳納米籠材料的方法。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種以立方體氧化亞銅為模板制備碳籠與氮摻雜碳籠的方法，以期可以降低其制備成本、簡化其工藝。
[0007]本發(fā)明解決技術問題，采用如下技術方案:
[0008]本發(fā)明以立方體氧化亞銅為模板制備碳籠的方法，其特點在于按以下步驟進行:
[0009]a、將立方體氧化亞銅加入到葡萄糖溶液中，并通過超聲使其分散均勻，獲得分散液；
[0010]b、將所述分散液進行水熱反應；
[0011]C、對完成水熱反應的分散液進行離心，去除上清液，獲得碳包覆的氧化亞銅；
[0012]d、將所述碳包覆的氧化亞銅加入到稀硝酸溶液中，靜置，離心，洗滌，然后烘干，即得碳籠。
[0013]優(yōu)選的步驟a中所用的葡萄糖溶液的質量分數為I %?5%;步驟a中所用的立方體氧化亞銅與葡萄糖溶液中葡萄糖的質量比為1:10?50。
[0014]本發(fā)明以立方體氧化亞銅為模板制備氮摻雜碳籠的方法，其特點在于按以下步驟進行:
[0015]a、將立方體氧化亞銅加入到氨基葡萄糖鹽酸鹽溶液中，并通過超聲使其分散均勻，獲得分散液；
[0016]b、將所述分散液進行水熱反應；
[0017]C、對完成水熱反應的分散液進行離心，去除上清液，獲得碳包覆的氧化亞銅；
[0018]d、將所述碳包覆的氧化亞銅加入到稀硝酸溶液中，靜置，離心，洗滌，然后烘干，即得氮摻雜碳籠。
[0019]優(yōu)選的，步驟a中所用的氨基葡萄糖鹽酸鹽溶液的質量分數為I %?5 %;步驟a中所用的立方體氧化亞銅與氨基葡萄糖鹽酸鹽溶液中氨基葡萄糖鹽酸鹽的質量比為1:10?
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[0020]優(yōu)選的，步驟a所述的立方體氧化亞銅是按如下方法進行制備:
[0021 ] al、將氫氧化鈉溶液滴加到氯化銅溶液中，攪拌得到懸濁液；
[0022]a2、向al所得的懸濁液中加入抗壞血酸溶液，攪拌得到棕黃色漿料；
[0023]a3、對a2所得的棕黃色漿料離心，去除上清液，對沉淀進行洗滌，得到棕黃色粉末，即為立方體氧化亞銅。
[0024]步驟b所述水熱反應的溫度為80°C?220°C，時間為3h?24h。
[0025]步驟d所述稀硝酸溶液的物質的量濃度為lmol/L?8mol/L，所述靜置的時間為2h ?12h0
[0026]步驟al中所用氫氧化鈉溶液的物質的量濃度為lmol/L?6mol/L，所用氯化銅溶液的物質的量濃度為0.05mol/L?0.25mol/L ;步驟a2中所用抗壞血酸溶液的物質的量濃度為0.05mol/L?0.3mol/L ;步驟al中所用的氫氧化鈉溶液的體積和氯化銅溶液的體積與步驟a2中所用的抗壞血酸溶液的體積比為(3?10):1: (2 ~ 15)。
[0027]與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現在:
[0028]1、本發(fā)明提供的方法步驟簡單，操作簡易，反應條件溫和，環(huán)境友好，立方體氧化亞銅模板規(guī)整性高，產量大，可短時間內制備大量模板；
[0029]2、本發(fā)明方法具有方便、快速的特點，制備的碳籠和氮摻雜碳籠壁厚可控，大小分布均勻，并且能夠大規(guī)模合成，為碳籠和氮摻雜碳籠在藥物緩釋、氧化還原反應和超容器等各領域的實際應用提供了可能。
【附圖說明】
[0030]圖1為根據本發(fā)明實施例1制備的立方體氧化亞銅的掃描電鏡照片；
[0031]圖2為根據本發(fā)明實施例1制備的立方體氧化亞銅的X射線衍射圖；
[0032]圖3為根據本發(fā)明實施例1制備的碳籠的透射電鏡照片；
[0033]圖4為根據本發(fā)明實施例1制備的碳籠的X射線衍射圖；
[0034]圖5為根據本發(fā)明實施例2制備的碳籠的透射電鏡照片；
[0035]圖6為根據本發(fā)明實施例3制備的碳籠的透射電鏡照片；
[0036]圖7為根據本發(fā)明實施例4制備的氮摻雜碳籠的透射電鏡照片。
具體實施例
[0037]實施例1
[0038]本實施例以立方體氧化亞銅為模板制備碳籠的方法是按以下步驟進行:
[0039]a、制備立方體氧化亞銅:
[0040]al、將5ml 0.1M CuCl2溶液滴加到50ml水中；然后1.0ml 2.0M NaOH溶液滴加到上述溶液中，攪拌5分鐘，生成淡藍色懸濁液；
[0041]a2、將5.0ml 0.1M抗壞血酸溶液用注射泵在10分鐘內滴加入al所得的懸濁液中，在劇烈攪拌的條件下反應20分鐘，得到棕黃色漿料；
[0042]a3、將a2所得的棕黃色離心，倒去上清液，保留下層沉淀，然后將沉淀加水分散，離心，倒去上清液，保留下層沉淀；接著，將獲得的沉淀加乙醇分散，離心，倒去上清液，保留下層沉淀，此過程重復兩次，除去殘留的反應物，得到棕黃色粉末，