[发明专利]一种碳纳米材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种碳纳米材料的制备方法，其特征在于，所述碳纳米材料的制备方法包括以下步骤：

以掺金属铜催化剂的石墨棒作为阳极石墨棒，以另一根纯石墨棒作为阴极石墨棒，分别将其固定在密闭电弧放电室的阴阳两极，先保存阴阳极石墨棒两端头紧密接触形成通路，然后将放电腔室抽成真空后，对阳极石墨棒预热后，关闭电流，充入高纯氮气，然后在氮气气氛下通电起弧，在起弧过程中保持阴阳两电极端头一定的起弧间距使其能够持续不断地放电起弧，使阳极石墨棒不断被消耗直至其消耗完毕断弧，侧壁和顶盖内壁上生成的黑色固体物即为制备的碳纳米材料；

所述的碳纳米材料具有核壳结构，其中外壳层由碳层组成，内核由石墨烯片组成。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳层为晶型石墨碳层或无定型碳层。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯片的石墨烯层数为1-10层。

4.根据权利要求1或3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯片为石墨烯片聚集体。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯片聚集体的尺寸大小为20-100nm。

6.根据权利要求1或2任一项所述的制备方法，其特征在于，所述的碳层的厚度5-20nm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的核壳结构的结构形态具有豆荚形态结构。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的豆荚长度为50-500 nm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳纳米材料的化学组成含有氮元素。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述氮元素中氮原子通过化学键键合至纳米碳材料的碳原子骨架中；所述的氮原子是以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮的键合形式掺杂至纳米碳材料中的碳原子骨架中。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的固定在密闭电弧放电室的阴阳两极的石墨棒，要求它们的轴中心在同一条直线上；

所述的放电起弧过程中阴阳两电极两端的起弧间距保持在1~10 mm。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的充入高纯氮气的初始气压选自0.5 ~1.5 bar；所述的放电电流选自80 ~120 A。

13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，阳极石墨棒中铜催化剂的含量选自0.01 ~1at%；

所述的含量为铜原子相对于石墨总原子的百分比。

14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，阳极石墨棒中铜催化剂的含量选自0.1~0.5 at%；

所述的含量为铜原子相对于石墨总原子的百分比。

15.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的对阳极石墨棒预热的方法，包括步骤如下：给阳极石墨棒施加通电电流，通电电流60 A以上, 通电时间大于3分钟，这个过程使阳极石墨棒被加热而变得通红。