[发明专利]一种过渡金属/氮掺杂竹节状碳纳米管的制备方法

说明书

本发明公开了一种过渡金属/氮掺杂竹节状碳纳米管的制备方法，采取金属有机框架材料为碳前驱体，制备得到过渡金属/氮掺杂竹节状多壁碳纳米管，并将其应用在能源器件中。本方法原料来源丰富，成本低廉，制备工艺简单，程序简短，克服了现有技术中制备碳纳米管存在的成本高、环境友好性差、不利于大规模生产的技术问题，有利于产业化生产。从产品性能来看，本发明所制备的过渡金属/氮掺杂多壁碳纳米管成品一致性高、比表面积大、导电性好、具有明显竹节形状，具有优异的电化学性能，可用作为氢氧燃料电池、锂‑空气电池的阴极催化材料。基于本发明的产品制备和产品性能优势，将使其具有非常广泛的应用前景和巨大的商业价值。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种过渡金属/氮掺杂竹节状碳纳米管的制备方法，该碳纳米管可应用于燃料电池和锂-空气电池领域。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭以及环境污染愈发严重，越来越多的国家认识到要建设一个既能满足社会需要，又能不危及后代人生存和发展的可持续发展社会，要尽可能地发展清洁能源替代高含碳量的化石能源。

在此背景下，燃料电池作为一种清洁高效的能源转换装置得到全世界的重视；同时，锂-空气电池作为高效储能装置得到广泛的关注。燃料电池和锂-空气电池的阴极材料是关键,它决定着主要性能指标。其中，碳材料由于具有成本低、导电性高、无污染等优点被认为是优异的电极材料。

碳材料在燃料电池的阴极和阳极都有重要应用。特别是为了取代贵金属铂而发展的低成本非贵金属氧还原催化剂。大量研究表明过渡金属/氮掺杂碳材料具有很高的氧还原催化活性，具有能够取代铂的实际应用价值。锂-空气电池是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度。如今对锂-空气电池阴极材料的研究主要集中于碳材料,其中碳纳米管因为具有平行孔结构、较高的氧还原催化活性和稳定性等优势,可有效解决锂-空气电池存在的能量密度低、循环性能不足等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中制备碳纳米管存在的成本高、环境友好性差、不便于大规模生产的技术问题，提供一种低成本的过渡金属/氮掺杂竹节状碳纳米管的制备方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种过渡金属/氮掺杂竹节状碳纳米管的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、选取含过渡金属的金属有机框架材料，例如MIL-53和ZIF-8为前驱体，采用球磨的方式混合；

S2、将步骤S1中混合物放入石英舟，在N₂氛围下在管式炉中，快速升温至1050℃，保温60min，再以10～15℃/min的降温速率降至室温，得到第一碳粉；

S3、将步骤S2得到的第一碳粉研磨后放入石英舟，在NH₃氛围下在管式炉中，快速升温至1050℃，保温30min，再以10～15℃/min的降温速率降至室温，得到第二碳粉；

S4、将步骤S3中所得第二碳粉充分酸洗除去多余金属，得到过渡金属/氮掺杂碳纳米管。

进一步地，所述金属有机框架结构材料MIL-53为MIL-53(Fe)或MIL-53(Co)中的一种或以上，所述MIL-53合成方式为：向N，N-二甲基甲酰胺溶液中加入对苯二甲酸和过渡金属盐，充分搅拌后置于水热反应釜中，170℃保温24小时，后通过离心清洗、干燥后获得MIL-53。

进一步地，所述N，N-二甲基甲酰胺、对苯二甲酸和过渡金属盐的摩尔比例为280:1:1。

进一步地，所述过渡金属盐为FeCl₂、FeCl₃或CoCl₂中的一种。