[发明专利]一种非晶态硼氮共掺杂碳纳米管及其制备方法和应用

说明书

本发明属于功能材料技术领域，尤其是涉及一种非晶态硼氮共掺杂碳(a‑BCN)纳米管及其制备方法和应用，该制备方法以硼酸、尿素、聚乙二醇和金属盐为原料，通过在水溶液中混合形成碳化前驱体，再通过高温碳化即可获得非晶态硼氮共掺杂碳纳米管。与现有技术相比，本发明通过阴离子调控使原位形成的非晶态金属(a‑M)纳米团簇均匀的嵌入在a‑BCN纳米片中；原位嵌入的a‑M纳米团簇有效促进了a‑BCN纳米片向纳米管结构的形貌转变；a‑M@a‑BCN纳米管兼具了纳米管和扩层间距(0.40nm)短程有序结构；该非晶态硼氮共掺杂碳纳米管在气体吸附分离、催化、锂离子电池和钠离子电池等领域有着广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，尤其是涉及一种非晶态硼氮共掺杂碳纳米管及其制备方法和应用。

背景技术

一维碳纳米管因具有物理化学性质稳定、离子扩散路径短、电子/离子传输速度快、制备成本低廉、无毒无污染等优点在能量存储与转换、催化、生物医药等领域有着巨大的应用前景。此外，碳纳米管还可通过表面功能化或骨架碳原子替换的方式进行杂原子掺杂(如N、B)以进一步提升其应用性能。例如，2009年Dai及合作者发现氮掺杂碳纳米管(VA-NCNT)具有卓越的氧化还原(ORR)催化活性，并且作为一种无金属碳基催化剂，VA-NCNT表现出比市售Pt/C催化剂更好的电催化活性、更长的使用寿命和耐CO毒性。此外，他们进一步通过实验结果与理论计算相结合的方式证实了VA-NCNT的催化活性来源其中掺杂的氮原子诱导，N杂原子附近带正电荷的C原子增强了VA-NCNT对O₂分子的化学吸附从而促进了VA-NCNT的ORR活性(Gong K P,Du F,Xia Z H,et al.Nitrogen-doped carbon nanotube arrayswith high electrocatalytic activity for oxygen reduction.Science 2009,323:760-764.)。Yuan及合作者利用DFT计算结合赝势法研究了Na⁺离子在硼掺杂石墨烯上的吸附行为。计算结果表明Na⁺离子在硼掺杂石墨烯上的吸附能为-1.93eV远低于本征石墨烯对Na⁺离子的吸附能-0.71eV，表明硼掺杂石墨烯的钠储存能力高于本征石墨烯。B和N原子的掺杂有助于改变碳材料中π电子云的分布并在材料中形成丰富的缺陷活性位点。此外，B，N共掺杂具有协同效应，其性能明显优于单杂原子掺杂。因此，开发简单可行方法制备硼氮共掺杂碳纳米管成为碳材料研究领域的热点之一(Yao L H,Cao M S,Yang H J,etal.Adsorption of Na on intrinsic,B-doped,N-doped and vacancy graphenes:Afirst-principles study.Computational Materials Science 2014,85:179-185.)。