[發明專利]一種碳納米管、其制備方法及用途

在審

• 申請號: 201410544534.0
• 申請日: 2014-10-15
• 公開（公告）號: CN104370279A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發明（設計）人: 王得麗;武敏;王彩;王杰
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B01J27/24;B01J21/18;H01M4/90;B82Y30/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于納米材料領域，更具體地，涉及一種碳納米管、其制備方法及用途。

背景技術

碳納米管具有金屬或半導體的導電性，寬帶電磁波吸收性強度高、吸附性好等優點，使其在物理化學領域有廣泛的用途。特別是在儲氫、超級電容器、分子過濾器、吸附劑、燃料電池催化劑等有廣泛應用前景。在這些領域的應用，除對碳納米管晶體結構有一定要求，對于其比表面積、孔容有較高要求。但目前能大規模制備的是多壁碳納米管，其比表面積較低，一般在200m²/g以下，影響了其作為儲氫材料、超級電容器、電催化劑等的需要高比表面積方面應用的效果。

現有研究表明，在碳納米管中摻雜雜原子，能提高碳納米管的催化性能，應用于制備燃料電池能有效提高燃料電池性能。目前的碳納米管摻雜技術，主要是通過氣相沉積法或酸活化法，在碳納米管中摻雜雜原子。然而氣相沉積法(CVD)方法制備的摻雜碳納米管的產率、雜原子摻雜量、比表面積都較低，而且生產成本高，限制了其規模化生產。酸活化法同樣不能很好提高碳納米管的比表面積，而且工藝較為麻煩，不適合規模化生產。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種碳納米管、其制備方法及用途，其目的在于通過加堿煅燒，刻蝕碳納米管在其表面形成介孔，從而提高碳納米管比表面積，提高雜原子摻雜量由此解決碳納米管催化活性不高，導致的摻雜碳納米管產率不高、雜原子摻雜量及比表面積較低、生產成本高且工藝復雜的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種碳納米管，所述碳納米管為雜原子摻雜的碳納米管，其中雜原子的質量比例為3％至6％，所述碳納米管表面具有介孔結構，介孔的平均孔徑在2nm至9nm之間，所述碳納米管的比表面積在150m²/g至1200m²/g之間。優選地，所述碳納米管，其所述雜原子為氮原子、硼原子、磷原子和硫原子中的一種或兩種，其中按照質量百分含量，氮元素在1％至10％之間，硼元素在0.3％至6％之間，硫元素在0.5％至5％之間，磷元素在0.2％至4％之間。

優選地，所述碳納米管，其氮原子以吡啶氮、吡咯氮和/或石墨化氮的形式摻雜；硼原子以碳硼單鍵、氧硼單鍵和/或氮硼單鍵的形式摻雜；硫原子以碳硫單鍵和/或碳硫雙鍵的形式摻雜；磷原子以碳磷單鍵和/或氧磷單鍵的形式摻雜。

按照本發明的另一方面，提供了一種所述的碳納米管的制備方法，包括以下步驟：

(1)將碳納米管與強堿或堿金屬的碳酸鹽均勻混合，使得碳納米管與強堿或堿金屬的碳酸鹽的質量比例在1:3至1:5之間，得到碳納米管與強堿或堿金屬的碳酸鹽的混合物；

(2)將步驟(1)中得到的混合物，在隔絕氧氣的條件下升溫至500℃至900℃之間，煅燒1小時至3小時，得到煅燒產物；

(3)將步驟(2)中得到的煅燒產物，洗滌干燥去除強堿或堿金屬的碳酸鹽，得到經刻蝕的碳納米管；

(4)將步驟(3)中獲得的經刻蝕的碳納米管，進行雜原子摻雜，即得到如權利要求1至3任意一項所述碳納米管。

優選地，所述制備方法，其所述強堿為KOH或NaOH。

優選地，所述制備方法，其所述堿金屬的碳酸鹽為Na₂CO₃或K₂CO₃。

優選地，所述制備方法，其步驟(4)所述雜原子為氮原子、硼原子、磷原子和硫原子中的一種或兩種。

優選地，所述制備方法，其步驟(4)所述摻雜的方法為高溫摻雜或水熱摻雜。按照本發明的另一方面，提供了一種所述碳納米管應用于制備電催化劑。

優選地，所述的碳納米管應用于制備電催化劑，其所述電催化劑用于催化燃料電池或鋰空氣電池陰極氧還原反應。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明提供的雜原子摻雜的碳納米管與是現有技術摻雜型碳納米管相比，比表面積提高了1至10倍，其摻雜量和氧還原活性位點數量都有顯著提高，用于催化氧還原反應，催化效率顯著提高，因此應用于燃料電池或鋰空氣電池，能顯著提高電池儲電量；

(2)本發明提供的雜原子摻雜的碳納米管，由于表面具有介孔結構，因此能加強電解液和活性位點的充分接觸，作為電催化劑，催化活性顯著提高；

(3)本發明提供的雜原子摻雜的碳納米管，當摻雜的雜原子尤其是氮原子、硼原子、磷原子和硫原子時，所述碳納米管的電催化活性顯著增強；