[发明专利]一种硼氮共掺杂空心碳纳米笼的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以碱式碳酸镁(或碳酸镁)与苯、吡啶、吡咯、二甲胺合硼烷等含碳和氮、硼化合物为前驱物，以碱式碳酸镁或碳酸镁原位分解产生的氧化镁纳米粒子为模板，大量制备高品质硼氮共掺杂空心碳纳米笼的方法。

背景技术

碳富勒烯和纳米管的新颖结构和独特的光、电、磁等性质而引起了人们的广泛重视，并激发了人们探索其它碳纳米结构的兴趣(R.H.Baughman,et al.Science 2002,297,787)。空心碳纳米笼具有独特的物理化学性质，有研究表明，其可望应用于催化、能源、分离、光学器件等诸多领域(Anvar A.Zakhidov,et al.Science 1998,282,897；S.Han,et al.Adv.Mater.2003,15,1922；Ajayan Vinu et al.,J.Porous Mater 2006,13,379；J.J.Niu,et al.J.Phys.Chem.C 2007,111,10329)。到目前为止，人们已经发展了几条技术路线来制备空心碳纳米笼，例如：电弧法、激光蒸发法、等离子体聚合法、气相化学沉积法(CVD)、超临界流体法等(S.Han,et al.Adv.Mater.2003,22,:1922；Y.M.Ma,et al.Carbon.2005,8,1667；J.Y.Miao,et al.Carbon 2004,42,813；J.Cao,et al.J.Nanoparticle Res.2004,6,447)。上述合成方法的一个共同特点是合成空心碳纳米笼一般需要模板，用作模板的物质有金属粒子、高分子球和SiO2球等(G.Hu,et al.,Chem.Commun.2002,1948；J.Jang,et al.Chem.Mater.2003,15,2109；J.Jang,et al.Adv.Mater.2002,14,1390)。其主要特征是首先形成核/壳结构的碳胶囊，再根据内核材料选用合适的物理化学方法把核除去，最后得到空心碳纳米笼。对于高分子基纳米笼还需要进行高温碳化处理。由于以上方法涉及复杂的多步过程，且有些工艺使用的是有毒或环境不友好的试剂，因此这些工艺或多或少存在着不利因素。

据文献报道，氮掺杂可以有效地调变碳纳米管的结构、酸碱性、反应活性和导电性等，有助于制备出性能优良的催化剂，譬如：氮掺杂碳纳米管(NCNTs)不需负载金属催化剂就表现出比Pt/C催化剂高得多的氧气还原反应(ORR)催化活性和稳定性[(a)K.Gong,et al.Science 323,60(2009).(b)Y.F.Tang,et al.J.Am.Chem.Soc.131,13200(2009).(c)Z.Chen,et al.J.Phys.Chem.C 113,21008(2009).]，以氮掺杂碳纳米管为载体构建的Pt基纳米复合催化剂具有优良的电催化性能(甲醇氧化和氧还原)[(a)S.J.Jiang,et al.Adv.Mater.21,4953(2009).(b)B.Yue,et al.J.Mater.Chem.18,1747(2008).(c)M.Gross,Chemistry World(China edition)C4(2008).(d)Y.W.Ma,et al.J.Phys.Chem.C 112,]。最近我们课题组报道了硼掺杂碳纳米管也具有良好的氧还原催化活性[L.Yang,etal.Angew.Chem.Int.Ed.50,7132(2011)]。而对碳纳米管进行硼氮二元共掺杂可以利用硼与氮的协同作用，有效提高其电催化性能[S.Wang,et al.Angew.Chem.Int.Ed.50,11756(2011)]。从催化剂载体的角度来看，碳基纳米管仍然存在一些不足，主要表现为比表面积偏小(多壁碳基纳米管的比表面积通常只有数十至一两百m2/g)，因为一般而言高的比表面积更有利于催化活性物种的分散。此外，掺杂碳纳米管通常是竹节状的，催化剂颗粒不易进入管内空间，其丰富的内表面难以有效利用。而碳基纳米笼恰好有望克服碳基纳米管的这些不足。