本發(fā)明屬于納米新材料，具體涉及一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、碳材料具有優(yōu)異的機械性能、導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和輕質(zhì)特性，在能源、環(huán)境、電子和催化等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。通過雜原子摻雜和形貌調(diào)控，可以進一步優(yōu)化其物理化學(xué)性能，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。n元素的摻雜可以調(diào)節(jié)材料的電子結(jié)構(gòu)，提升材料的電化學(xué)性能，s的摻雜則會增大碳材料層間距，更有利于傳質(zhì)；形貌調(diào)控增強比表面積和傳質(zhì)性能，一維中空碳材料具有高比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的機械強度以及可調(diào)控的化學(xué)性質(zhì)，兩者結(jié)合為碳材料的高性能化和多功能化提供了重要途徑。

2、中空碳納米環(huán)不僅繼承了碳材料成本低、相對穩(wěn)定的特點，中空結(jié)構(gòu)還提供了更大的比表面積，可以提供更多的活性位點，同時環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出與其尺度高度相關(guān)的獨特光學(xué)、磁性和電子特性，為先進納米反應(yīng)器提供了更多樣選擇。

3、目前中空碳納米狀常使用模板法合成，已報道的合成方法存在著條件苛刻、步驟繁瑣、產(chǎn)量較低等缺點，在一定程度上限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，同時傳統(tǒng)的模板法也難以一步實現(xiàn)形貌控制、孔隙構(gòu)建和雜原子摻雜等多重目標，常需要經(jīng)過多個步驟來達成目標，這無疑造成了實驗步驟的繁瑣和成本的增加。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種操作簡單、條件溫和維中空碳納米環(huán)的合成方法，能夠同時實現(xiàn)形貌控制，孔隙構(gòu)建和雜原子摻雜多重目標的控制，以解決現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)中空碳納米環(huán)成本較高、條件苛刻、步驟繁瑣等問題。

2、以三聚氰胺、脂肪醛為原料，芳香胺-酸為反應(yīng)的引發(fā)劑及交聯(lián)劑，陰離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑作為模板劑，基于雙表面活性劑協(xié)同增效作用構(gòu)建納米膠束；將質(zhì)子化三聚氰胺作為有機反離子引入體系，降低陰離子表面活性劑親水基間的靜電斥力，以此來調(diào)節(jié)膠束堆積參數(shù)，通過調(diào)節(jié)三聚氰胺的量使表面活性劑膠束由球形向棒狀再到環(huán)狀的轉(zhuǎn)化；加入甲醛引發(fā)席夫堿加成聚合反應(yīng)，獲得中空聚合物納米環(huán)，在惰性氣體氛圍下高溫焙燒獲得硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)。

3、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)的制備方法，包括以下步驟：

4、（1）將陰離子表面活性劑和兩性表面活性劑在水相中攪拌混合；

5、（2）將三聚氰胺、芳香胺-酸加入水中溶解均勻；所述芳香胺-酸用量為三聚氰胺摩爾量的5%~40%；

6、（3）將步驟（1）和步驟（2）的溶液混合，繼續(xù)攪拌構(gòu)造復(fù)合膠束體系；

7、（4）加入甲醛，反應(yīng)10~120?min，離心得到固體；

8、（5）惰性氛圍下焙燒得到硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)。

9、進一步地，所述芳香胺-酸為2,4-二氨基苯磺酸、2,5-二氨基苯磺酸、3,5-二氨基苯磺酸、鄰氨基苯磺酸、間氨基苯磺酸、對氨基苯磺酸、間苯二胺雙磺酸中的一種。

10、進一步地，所述陰離子表面活性劑為雙(2-乙己基)磺基丁二酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉的一種。

11、進一步地，所述兩性離子表面活性劑為椰油酰胺丙基甜菜堿、十二烷基二甲基甜菜堿、3-磺丙基十二烷基二甲基甜菜堿中的一種。

12、進一步地，所述陰離子表面活性劑和兩性表面活性劑復(fù)配時摩爾比為1:1。所述陰離子表面活性劑和兩性表面活性劑的用量大于0小于臨界膠束濃度。

13、進一步地，所述表面活性劑用量為三聚氰胺摩爾量的1%~10%。

14、進一步地，所述甲醛用量為1~3ml。

15、進一步地，所述惰性氣氛中采用的氣體為氮氣或氬氣，碳化溫度為600~800℃，時間為80~120?min。

16、一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)，采用上述的制備方法制得。

17、進一步地，所述納米環(huán)的尺寸為3~5?μm。所述中空碳納米環(huán)中，氮含量為7%~20%，硫含量為1.2%~3%。

18、具體地，一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)及其制備方法，該方法包括以下步驟：

19、（1）將陰離子表面活性劑與兩性離子表面活性劑溶于水體系中，劇烈攪拌0.5~5h，完成復(fù)配：所述陰離子表面活性劑與兩性離子表面活性劑的摩爾比為1:1；

20、（2）將三聚氰胺和芳香胺-酸溶解于水體系中，與復(fù)配好的表面活性劑溶液攪拌混合，混合時間應(yīng)為20~120?min；

21、（3）加入甲醛，在10~30℃下反應(yīng)20~180?min，離心得到中空聚合物納米環(huán)；

22、（4）惰性氣氛下高溫焙燒，得到硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)。

23、本發(fā)明提供一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)及其制備方法，所述硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)經(jīng)一步碳化就具有744?cm2?g-1的比表，7.2?wt%的氮含量，2.4?wt%的硫含量并用作超級電容器電極材料。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

25、1.本發(fā)明所采用的合成方法條件溫和，在10~30℃可以穩(wěn)定發(fā)生反應(yīng)，且反應(yīng)迅速，~10?s可觀察到體系渾濁現(xiàn)象，10~120?min內(nèi)可按需停止反應(yīng)。

26、2.本發(fā)明合成硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)無需進一步活化處理就擁有744?cm2?g-1的比表面積。

27、3.本發(fā)明相較于傳統(tǒng)的中空碳納米環(huán)材料的制備工藝具有操作簡便、條件溫和、利于大規(guī)模生產(chǎn)等特點。

技術(shù)特征：

1.一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)的制備方法，其特征在于：所述芳香胺-酸為2,4-二氨基苯磺酸、2,5-二氨基苯磺酸、3,5-二氨基苯磺酸、鄰氨基苯磺酸、間氨基苯磺酸、對氨基苯磺酸、間苯二胺雙磺酸中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)的制備方法，其特征在于：所述陰離子表面活性劑為雙(2-乙己基)磺基丁二酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉的一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)的制備方法，其特征在于：所述兩性離子表面活性劑為椰油酰胺丙基甜菜堿、十二烷基二甲基甜菜堿、3-磺丙基十二烷基二甲基甜菜堿中的一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)的制備方法，其特征在于：所述陰離子表面活性劑和兩性表面活性劑復(fù)配時摩爾比為1:1。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)的制備方法，其特征在于：所述陰離子表面活性劑和兩性表面活性劑的用量大于0小于臨界膠束濃度。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)的制備方法，其特征在于：所述惰性氣氛中采用的氣體為氮氣或氬氣，碳化溫度為600~800℃，時間為80~120?min。

8.一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)，其特征在于，采用權(quán)利要求1-7任一所述的制備方法制得。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)，其特征在于，所述納米環(huán)的尺寸為3~5?μm。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)，其特征在于：所述中空碳納米環(huán)中，氮含量為7%~20%，硫含量為1.2%~3%。

技術(shù)總結(jié)
一種硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)及其制備方法，其屬于納米新材料的技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括以下步驟：以三聚氰胺、脂肪醛為原料，芳香胺?酸為反應(yīng)引發(fā)劑及交聯(lián)劑，陰離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑作為模板劑，基于雙表面活性劑協(xié)同增效作用構(gòu)建納米膠束；將質(zhì)子化三聚氰胺作為有機反離子引入體系，降低陰離子表面活性劑親水基間的靜電斥力，以此來調(diào)節(jié)膠束堆積參數(shù)，通過調(diào)節(jié)三聚氰胺的量使表面活性劑膠束由球形向棒狀再到環(huán)狀的轉(zhuǎn)化；加入甲醛引發(fā)席夫堿加成聚合反應(yīng)，獲得中空聚合物納米環(huán)，在惰性氣體氛圍下高溫焙燒獲得硫氮共摻雜中空碳納米環(huán)。本發(fā)明合成方法操作簡單、工藝條件溫和、成本較低，有效實現(xiàn)了對目標產(chǎn)品的精確控制。

技術(shù)研發(fā)人員：呂榮文,王鵬,宋財城
受保護的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8