[發明專利]一種以金屬離子催化有機配體制備碳納米籠的方法及其制備的碳納米籠和應用

有效

• 申請號: 201910577442.5
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110272035B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 劉先斌;賴昌淦;梁彤祥;曹長青;童珍;甄卓武
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;H01M12/06;H01M4/88;H01M4/96
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發明涉及一種以金屬離子催化有機配體制備碳納米籠的方法及其制備的碳納米籠和應用。本發明是將有機配體水溶液與金屬鹽水溶液按比例混勻后在常溫條件下反應反應2～24h，獲得菱形十二面體結構的金屬有機框架前驅體，然后將所述前驅體在惰性氣體氛圍中加熱至350～500℃恒溫煅燒1～2h，然后繼續升溫至800～900℃恒溫煅燒1～4h，冷卻后經酸洗、水洗、干燥處理，獲得碳納米籠。本發明獲得的碳納米籠的尺寸是目前報道直徑最小的，尺寸約為10nm左右，另外，本發明所制備的超細碳納米籠結構具有豐富的孔隙結構、大的比表面積與優異的電化學性能，而且制備價格低廉，能夠高效投入生產使用，擁有較大的市場競爭力。

技術領域

本發明屬于納米材料的制備和應用技術領域，具體涉及一種以金屬離子催化有機配體制備碳納米籠的方法及其制備的碳納米籠和應用。

背景技術

目前，碳材料被廣泛應用于能源與環境等領域，例如：電池材料、超電材料、纖維材料、催化材料等，未來我們的生活與碳材料密切相關，發展前景不可估量。已報道的碳材料大致可分為：一維管狀(碳納米管)、二維片狀(石墨烯)、三維孔狀(碳納米籠)。自1985年Kroto H.W等合成碳納米管和2004年Andre Giem等合成石墨烯以來，碳材料的應用得到了空前的發展，各國研究者紛紛對碳納米管與石墨烯材料進行了深入的研究探索，但有關碳納米籠材料的研究卻鮮有報道。碳納米籠材料是由幾層到數十層碳層形成的空心籠狀結構構成，尺寸一般小于100nm，具備豐富的孔隙結構、高比表面積、耐酸堿腐蝕及優良的導電導熱性能，可廣泛應用在能源與環境材料等領域中，具有巨大的應用前景。據2017年我國碳產業報道，碳材料在汽車產業(2412.7噸)、航空航天(5461.3噸)、休閑產業(3403.9噸)中消耗巨大，且在各個領域的使用仍然保持較高的增長趨勢。因此碳納米籠材料作為新型的碳材料具有非常高研究價值。

目前，碳納米籠的制備技術還非常不成熟，許多技術方面的難題亟待解決。由于碳納米籠只有在形貌上需要形成特定弧度時，才能構建出特定的微納米空心籠狀結構，使得材料在制備過程中需要嚴苛的反應條件和精密的反應設備。據現有報道制備碳納米籠材料的技術主要包括有化學氣相沉積、電弧放電法、硬模板法、等離子體聚合法、激光蒸發石墨法等。大致的形成機理可分為兩種：一種是通過不同的金屬納米顆粒對有機物進行催化，高溫條件下金屬粒子催化碳材料形成空腔，隨著進一步生長形成碳納米籠；另一種需要通過借助特定的球形模板，首先在模板表面形成碳層，然后再將模板去除即可得到碳納米籠。