[發明專利]一種多壁碳納米管/有序介孔碳復合材料、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201810365076.2
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108520954B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 張宗弢;倪玲;王潤偉;李昊天;孫傳胤;郭欣
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

一種多壁碳納米管/有序介孔碳復合材料、制備方法及其應用，屬于復合材料制備技術領域。其首先是將介孔二氧化硅加入到去離子水或者有機溶劑中，再加入過渡金屬鹽獲得混合物，攪拌加熱得到過渡金屬修飾的介孔二氧化硅；將可聚合的低分子量化合物溶于有機溶劑或者混合有機溶劑中，然后將該溶液置于兩口圓底燒瓶中并加熱攪拌；將過渡金屬修飾的介孔二氧化硅放置在密封的管式爐的不銹鋼管內，然后對兩口圓底燒瓶和排氣管線進行升溫，再對管式爐進行程序升溫，經高溫聚合熱解，再進行酸處理，離心分離和真空加熱干燥，得到含多壁碳納米管和有序介孔碳的復合材料，可以作為鋰離子電池負極材料或者作為鋰離子電池負極材料添加劑得到應用。

技術領域

本發明屬于復合材料制備技術領域，具體涉及一種多壁碳納米管/有序介孔碳復合材料、制備方法及其在作為鋰離子電池負極材料或者在作為鋰離子電池負極材料添加劑中的應用。

背景技術

碳納米管(CNTs)是一種類似石墨結構的六邊形網格卷繞而成的、兩端為半球形端帽、具有典型層狀中空結構的材料。CNTs作為典型的一維碳材料，具有良好的導電性能，超大的長徑比，極好的化學和光穩定性，使其在儲氫容器、超容量電容器、鋰離子電池負極材料等方面的具有廣泛的應用前景。然而，碳納米管較低的比表面面積和欠發達的孔隙結構，使其單獨作為儲能材料，其容量往往發揮不出來。

介孔碳是近年來發現的一類新型多孔材料，指的是尺寸在2-50nm的碳材料。介孔碳表現出特殊的性質，有高的比表面積，高孔隙率，孔壁組成、結構和性質可調，其表面易于被修飾，在吸附分離、催化、載藥、儲能等領域具有好的應用前景。但是單一級別的孔道結構以及低的電子遷移速率已不能滿足當前的應用需求，然而在其表面修飾具有特殊形貌的新型納米碳材料，如石墨烯、碳納米管等結構，可以顯著增強有序介孔碳材料的電子傳導能力，擴大其應用范圍。因此，原位合成一種既具有高比面積的介孔結構又具有多壁碳納米管優異導電性的復合材料具有重要的工業意義。

本發明提供一種有機氣體高溫聚合熱解路線原位制備具有介孔結構的碳和多壁納米管復合材料的方法，對工業化批量生產有重要價值。并且，目前尚未見有在原位均勻合成介孔結構的碳和多壁納米管復合材料的方法報道。

發明內容

為了克服現有技術問題，本發明的目的在于提供一種多壁碳納米管/有序介孔碳復合材料、制備方法及其應用。本發明方法工藝簡單，易于操作。通過本發明不但能夠得到孔徑可調的介孔碳，而且孔壁均勻生長出碳納米管的復合材料。

本發明所述的一種多壁碳納米管/有序介孔碳復合材料的制備方法，其步驟如下：

1)將介孔二氧化硅在去離子水或者有機溶劑(例如無水乙醇，丙酮等)中分散均勻，獲得分散液，在該分散液中添加過渡金屬鹽(鐵，鈷，鎳等的硝酸鹽)獲得混合物，然后在攪拌加熱(加熱的溫度比有機溶劑的沸點低5～10℃)的情況使去離子水或者有機溶劑全部揮發，得到過渡金屬修飾的介孔二氧化硅；

2)將可聚合的低分子量化合物溶于沸點低于160℃的有機溶劑或者混合有機溶劑中，然后將該溶液置于兩口圓底燒瓶中并加熱攪拌，兩口圓底燒瓶的一個瓶口通入氮氫混合氣，并且通入氮氫混合氣的管線沒入到溶液中，另一瓶口處接纏有加熱帶的排氣管線通入到密封的管式爐的不銹鋼管內；

3)將步驟1)得到的過渡金屬修飾的介孔二氧化硅放置在密封的管式爐的不銹鋼管內，開始程序升溫之前，通入氮氫混合氣，將不銹鋼管內的空氣排凈；然后對步驟2)的兩口圓底燒瓶和排氣管線進行升溫，再對管式爐進行程序升溫，經高溫聚合熱解，在不銹鋼管內得到含碳納米管和介孔二氧化硅的反應混合物；

4)在室溫下，將步驟3)得到的含碳納米管和介孔二氧化硅的的反應混合物先經過酸處理，再離心分離和真空加熱干燥，得到含多壁碳納米管和有序介孔碳的復合材料；多壁碳納米管的管徑為20～100nm，管長為0.1～2um，有序介孔碳的孔徑范圍為2～50nm。