[發明專利]一種氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物及其制備方法

有效

• 申請號: 201310298295.0
• 申請日: 2013-07-16
• 公開（公告）號: CN103407982A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 魏飛;唐城;趙夢強;張強;黃佳琦
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01B31/00
• 分類號: C01B31/00;C01B31/02;C01B31/04;B82Y30/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

技術領域

本發明屬于碳材料制備技術領域，具體涉及一種碳納米管和石墨烯的雜化物及其制備方法，尤其涉及一種氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物及其制備方法。

背景技術

人類社會的進步與發展以及日常生活條件的不斷改善離不開現代科學技術日新月異的變化，而其中最重要的一個部分就是新型多功能材料的開發與制備。自從1991年Iijima首次成功利用高分辨透射電鏡觀察到碳納米管的清晰結構(Iijima?S.?Nature,?1991,?354(6348):?56-58)，2004年Geim等采用機械剝離法獲得單層石墨烯結構(Novoselov?K?S?et?al.,?Science,?2004,?306(5696):?666-669)起，以此為代表的納米碳材料家族就一直受到科研工作者的廣泛關注和研究。理想的碳納米管和石墨烯結構由碳原子經sp²雜化構成，在力學、光學、電磁學、熱學等諸多領域都表現出了優異的性能，從而使其在復合材料、電子器件、導熱材料、藥物輸送、能量儲存等領域具有廣泛的應用前景。然而，實際研究與工業應用表明，由于低維材料所固有的性能各項異性以及納米材料的分散問題，無論是碳納米管還是石墨烯，其在三維宏觀材料中的性能表現往往都收到了極大的限制，從而影響了納米碳材料的工業應用。

將低維納米材料自下而上組裝成三維立體結構是解決以上問題的一種可行方法，既能夠輔助分散，又有望實現三維性能的最優化。對于一維的碳納米管與二維的石墨烯，Georgios?K?從理論上提出了一種三維雜化物的結構(Georgios?K?et?al.,?Nano?Lett.,?2008,?8(10):?3166-3170)，碳納米管陣列像柱子一樣連接并支撐起與其垂直的石墨烯片層，從而構成三維的電子傳輸與導電網絡和立體孔道結構，從而極大地促進了碳材料在電化學、分子吸附與能量儲存等領域中應用的性能表達。目前報道制備類似雜化物的方法或是在氧化石墨表面直接負載金屬活性組分催化生長碳納米管(Fan?ZJ,?et?al.,?Adv.?Mater.?2010,?22,?3723–3728)，但由于金屬納米顆粒高溫下在石墨表面不穩定，所得產物中碳納米管質量和形貌較差，影響性能表達；或是在膨脹石墨表面負載上一層中間氧化薄膜以輔助催化劑顆粒的分散(Du?F,?et?al.,?Chem.?Mater.,2011,?23(21):?4810-4816)，雖然產物形貌較好，但在碳納米管陣列和石墨烯之間存在氧化膜層阻礙電子傳輸。

進一步地，將某些雜原子引入碳納米管陣列和石墨烯的雜化物中還可以賦予其新的性能與應用，如鋰原子摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物在常壓下的儲氫能力達到了41g/L，已接近移動設備應用的需求(Georgios?K?et?al.,?Nano?Lett.,?2008,?8(10):?3166-3170)。而氮原子摻雜是在納米碳材料修飾領域非常常用的一種方法，可以實現對材料結構和表面性能的調變，使惰性的納米碳材料具有一定的化學活性，從而帶來在電化學反應和催化等領域的應用。

鑒于以上考慮，本發明提出了一種氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物的特種納米碳材料，實現了低維納米碳材料自下而上的組裝，為納米碳材料的實際應用提供了一種很好的解決方案，且通過氮原子的引入，為該雜化物帶來了更多新奇的性能，從而拓寬了其應用領域。此外，本發明還開發了一種基于負載有高密度催化劑顆粒且具有微觀平整表面的材料制備該種氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物的方法，該方法容易工程放大，普適性強，可以實現宏量制備，有效推進了該種氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物的研究、供應與實際應用。

發明內容

本發明的目的在于克服目前納米碳材料在實際工業應用中碰到的瓶頸，提供了一種氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物及其制備方法。

本發明的技術方案如下：

一種氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物，該雜化物由氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯組成，碳納米管陣列端部與石墨烯片層直接有效地連接。

所述雜化物中氮原子摻雜在碳納米管陣列或石墨烯結構中或同時摻雜在二者的結構中。

一種上述氮摻雜的碳納米管陣列和石墨烯的雜化物的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

1）以含曲率半徑不小于500納米的微觀平整表面的材料作為催化劑的載體，將催化活性組分負載到載體的表面；