[发明专利]由催化模板纳米颗粒制备的碳纳米结构

说明书

                     发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及碳纳米材料。更具体地，本发明涉及使用碳前体和催化模板颗粒(catalytic templating particle)制备的碳纳米结构。

2.相关技术

碳材料已经作为高性能和功能材料用于许多领域。众所周知，有机化合物热解是最常用的制备碳材料的方法。例如，可以通过在超过600℃的温度热解间苯二酚-甲醛凝胶来生产碳材料。

通过在600-1400℃的温度下热解有机化合物得到的大部分碳材料往往是无定形的，或者具有无序的结构。获得高度结晶的或石墨状的碳材料是非常有利的，因为石墨表现出独特的性质。例如，石墨材料具有导电性，形成独特的纳米材料，例如碳纳米管。但是，使用现有的方法难以通过热解(特别是在低于2000℃的温度进行热解)制备这些良好结晶的石墨结构。

为了在较低的温度获得石墨结构，人们已经对在金属催化剂存在下进行碳化方面进行了许多研究。所述催化剂通常是与碳前体混合的铁、镍或钴的盐。使用催化石墨化，可以在600℃至1400℃之间的温度制备石墨材料。大部分催化石墨化方法集中在制备石墨纳米管。但是，晶体材料的产率仍然非常低(例如，对于碳纳米管，产率小于2％)。这些低产率使得难以使用所述纳米材料制造有用的制件。

                     发明概述

本发明涉及使用碳前体和催化剂制备碳纳米结构的新方法。在多个模板纳米颗粒周围形成碳纳米结构。在一个示例性实施方式中，使用有机分散剂由催化金属原子制备模板纳米颗粒。催化纳米颗粒既可以有益地用作形成碳纳米结构的成核位点，又可以用作碳前体碳化和/或聚合过程中的催化剂。

依据本发明的制备碳纳米结构的新方法包括全部以下步骤或其中的一部分：

(i)通过以下步骤形成多个催化模板纳米颗粒：

(a)使多个前体催化剂原子与多个有机分散剂分子反应，形成络合的催化剂原子；

(b)任络合的催化剂原子或使络合的催化剂原子形成模板纳米颗粒；

(ii)通过在模板纳米颗粒存在下使碳前体发生聚合反应形成一种或多种中间体碳纳米结构；

(iii)使中间体碳纳米结构碳化，形成多个复合纳米结构；和

(iv)从复合纳米结构中除去模板纳米颗粒，得到碳纳米结构。

在本发明的方法中，使用分散剂形成分散的模板纳米颗粒。分散剂是包含一个或多个能与催化剂原子结合的官能团的有机分子。在一个优选的实施方式中，所述一个或多个官能团包括羟基、羧基、羰基、胺、酰胺、腈、具有游离的孤对电子的氮、氨基酸、硫醇、磺酸、磺酰卤、酰卤或它们的任意组合。所述分散剂分子与催化剂原子结合，形成络合物。然后使络合的催化剂原子反应或团聚，形成固体(solid)催化模板颗粒。有机分散剂可控制催化模板纳米颗粒的形成、粒度和/或分散。

在本发明的方法中，催化模板纳米颗粒用作制备纳米结构的模板。当模板纳米颗粒与碳前体混合时，模板纳米颗粒提供碳化和/或聚合反应开始或增强的成核位点。因为模板纳米颗粒是由催化原子形成的，所以模板颗粒既适合用作成核位点，又适合作为碳化和/或聚合反应的催化剂。本发明的这一特征消除了分别加入模板颗粒和催化剂(例如硅胶和金属盐)的需要。在此方法中，固体催化模板颗粒避免了单独加入的催化剂原子成为成核位点的不利情况。本发明的催化模板纳米颗粒可以有利地产生比使用现有方法制备的碳纳米结构具有更均一的性质(例如内部孔径)的碳纳米结构。

在一个示例性的实施方式中，本发明的方法产生环形的碳纳米结构。该环形可以使碳纳米结构具有有益的性质，例如高孔隙率和高表面积。诸如此类的这些有益性质使碳纳米结构可以用作燃料电池催化剂的载体材料。高表面积提供高金属负载量，高孔隙率由于改善了反应物的扩散而提高了燃料电池催化剂的性能。它们的高导电性使得纳米结构可以用于燃料电池的阳极或阴极。碳纳米结构可以代替通常更昂贵且更容易破碎的碳纳米管。

通过以下说明和所附权利要求可以更全面地明白本发明的这些和其它优点和特征。

                     附图简要说明