[发明专利]一种碳纳米管及其制备方法

说明书

本发明涉及一种直径可控碳纳米管及其制备方法，所述方法是将金属有机骨架、金属盐以及氨基化合物在液相中，得到的前驱体在惰性气氛下热处理进行碳化，通过改变前驱体中金属有机骨架的粒径实现碳纳米管直可控。与现有技术相比，本发明具有如下优点：制备过程中通过简单改变溶剂、反应温度等合成条件获得不同粒径的金属有机骨架就可以进而控制碳纳米管的直径；制备工艺简单、无需电弧放电，化学气相沉积等传统制备碳纳米管的设备。同时制备的碳纳米管原位掺杂了大量N，改变碳纳米管表面电子结构，进一步提升其电化学性能，使其在能量的转换与存储领域均有较大的潜在应用前景。

技术领域

本发明涉及碳材料制备及其应用领域，具体涉及一种碳纳米管的制备和应用。

背景技术

碳纳米管是由碳原子组成的一种新型的碳纳米材料，其独特的一维结构，高石墨化程度以及优异的电学和力学性能引起科研人员的广泛兴趣，尤其是在电化学能源存储和转换领域被认为具有广阔的应用前景。作为一种一维材料，直径是碳纳米管的一项重要结构参数，并有研究表明，随着改变碳纳米管的直径可以显著影响其电化学性能。

目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光蒸发法、CVD、固相热解法等。1991年日本物理学家Iijima通过电弧放电法生首次发现了碳纳米管，这种方法技术上比较简单，但得到的碳纳米管与C₆₀等产物混杂，纯度不高。CVD法对设备要求简单，成本较低，是目前合成碳纳米管最可行也是最经济实用的办法。最近，直接高温碳化固相前躯体(如富勒烯碳黑、有机金属化合物、聚合物)的方法被用来制备碳纳米管，这种方法除了在操作上更为简便之外，还可以通过在前驱体中加入N、S、B化合物，使其在加热过程中原位掺杂到碳纳米管中，从而改变碳纳米管表面电子结构，能使其电化学性能得到进一步提升。然而高温热解过程中前驱体的行为难以控制，最终形成的碳纳米管通常形貌不均一，通过热解制备直径可控的碳纳米管仍存在挑战。

发明内容

本发明针对热解前躯体制备碳纳米管形貌不可控的问题，提出了一种直径可控的碳纳米管气制备方法，本发明采用以下具体方案实现：

一种碳纳米管，其特征在于：所述碳纳米管呈竹节状形貌，即每根碳纳米管由2段以上的竹节状管段顺序连接而成，所述碳纳米管中含有N元素，一端包裹有金属纳米颗粒；所述碳纳米管的外径为50-300nm。所述N元素存在的形式为吡啶N、吡咯N、石墨化N和氧化N中的一种或两种以上，氮元素质量含量为2％-8％。如权利要求1所述碳纳米管，其特征在于：所述金属纳米粒子为铁和/或钴，金属纳米粒子的直径为50-300nm。所述金属纳米颗粒占碳纳米管总质量的1％-10％。所述碳纳米管的外径较优为300nm；所述金属纳米粒子的直径较优为300nm。

所述碳纳米管的制备方法包括以下步骤:

(1)金属有机骨架的合成：制备锌盐和有机配体的混合溶液；30-120℃下进行反应，然后分离得到金属有机骨架；

(2)前驱体的制备：将金属盐和氨基化合物溶于溶剂，加入步骤(1)中制备的金属有机骨架，分散均匀后，除去溶剂得前驱体；

(3)碳纳米管的制备：将步骤(2)所得前驱体在惰性气氛下进行热处理，得末端包裹金属纳米颗粒的碳纳米管。

步骤(1)中所述锌盐为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌中的一种或两种以上，锌离子于混合溶液中的浓度为0.0125-0.1mol/L。

步骤(1)中所述机配体为2-甲基咪唑，有机配体于混合溶液中的浓度为0.1-0.8mol/L。

步骤(1)中所述混合溶液中的溶剂为甲醇、乙醇、水和DMF中的一种。

步骤(2)中所述金属盐为钴或铁的氯化物、硝酸盐、乙酸盐中的一种或两种以上。

步骤(2)中所述氨基化合物为尿素、双氰胺、三聚氰胺中的一种或两种以上。