[发明专利]一种碳纳米管、其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，更具体地，涉及一种碳纳米管、其制备方法及用途。

背景技术

碳纳米管具有金属或半导体的导电性，宽带电磁波吸收性强度高、吸附性好等优点，使其在物理化学领域有广泛的用途。特别是在储氢、超级电容器、分子过滤器、吸附剂、燃料电池催化剂等有广泛应用前景。在这些领域的应用，除对碳纳米管晶体结构有一定要求，对于其比表面积、孔容有较高要求。但目前能大规模制备的是多壁碳纳米管，其比表面积较低，一般在200m²/g以下，影响了其作为储氢材料、超级电容器、电催化剂等的需要高比表面积方面应用的效果。

现有研究表明，在碳纳米管中掺杂杂原子，能提高碳纳米管的催化性能，应用于制备燃料电池能有效提高燃料电池性能。目前的碳纳米管掺杂技术，主要是通过气相沉积法或酸活化法，在碳纳米管中掺杂杂原子。然而气相沉积法(CVD)方法制备的掺杂碳纳米管的产率、杂原子掺杂量、比表面积都较低，而且生产成本高，限制了其规模化生产。酸活化法同样不能很好提高碳纳米管的比表面积，而且工艺较为麻烦，不适合规模化生产。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碳纳米管、其制备方法及用途，其目的在于通过加碱煅烧，刻蚀碳纳米管在其表面形成介孔，从而提高碳纳米管比表面积，提高杂原子掺杂量由此解决碳纳米管催化活性不高，导致的掺杂碳纳米管产率不高、杂原子掺杂量及比表面积较低、生产成本高且工艺复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碳纳米管，所述碳纳米管为杂原子掺杂的碳纳米管，其中杂原子的质量比例为3％至6％，所述碳纳米管表面具有介孔结构，介孔的平均孔径在2nm至9nm之间，所述碳纳米管的比表面积在150m²/g至1200m²/g之间。优选地，所述碳纳米管，其所述杂原子为氮原子、硼原子、磷原子和硫原子中的一种或两种，其中按照质量百分含量，氮元素在1％至10％之间，硼元素在0.3％至6％之间，硫元素在0.5％至5％之间，磷元素在0.2％至4％之间。

优选地，所述碳纳米管，其氮原子以吡啶氮、吡咯氮和/或石墨化氮的形式掺杂；硼原子以碳硼单键、氧硼单键和/或氮硼单键的形式掺杂；硫原子以碳硫单键和/或碳硫双键的形式掺杂；磷原子以碳磷单键和/或氧磷单键的形式掺杂。

按照本发明的另一方面，提供了一种所述的碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳纳米管与强碱或碱金属的碳酸盐均匀混合，使得碳纳米管与强碱或碱金属的碳酸盐的质量比例在1:3至1:5之间，得到碳纳米管与强碱或碱金属的碳酸盐的混合物；

(2)将步骤(1)中得到的混合物，在隔绝氧气的条件下升温至500℃至900℃之间，煅烧1小时至3小时，得到煅烧产物；

(3)将步骤(2)中得到的煅烧产物，洗涤干燥去除强碱或碱金属的碳酸盐，得到经刻蚀的碳纳米管；

(4)将步骤(3)中获得的经刻蚀的碳纳米管，进行杂原子掺杂，即得到如权利要求1至3任意一项所述碳纳米管。

优选地，所述制备方法，其所述强碱为KOH或NaOH。

优选地，所述制备方法，其所述碱金属的碳酸盐为Na₂CO₃或K₂CO₃。

优选地，所述制备方法，其步骤(4)所述杂原子为氮原子、硼原子、磷原子和硫原子中的一种或两种。

优选地，所述制备方法，其步骤(4)所述掺杂的方法为高温掺杂或水热掺杂。按照本发明的另一方面，提供了一种所述碳纳米管应用于制备电催化剂。

优选地，所述的碳纳米管应用于制备电催化剂，其所述电催化剂用于催化燃料电池或锂空气电池阴极氧还原反应。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的杂原子掺杂的碳纳米管与是现有技术掺杂型碳纳米管相比，比表面积提高了1至10倍，其掺杂量和氧还原活性位点数量都有显著提高，用于催化氧还原反应，催化效率显著提高，因此应用于燃料电池或锂空气电池，能显著提高电池储电量；

(2)本发明提供的杂原子掺杂的碳纳米管，由于表面具有介孔结构，因此能加强电解液和活性位点的充分接触，作为电催化剂，催化活性显著提高；

(3)本发明提供的杂原子掺杂的碳纳米管，当掺杂的杂原子尤其是氮原子、硼原子、磷原子和硫原子时，所述碳纳米管的电催化活性显著增强；