[发明专利]一种碳纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于碳材料领域，特别涉及一种新型碳纳米材料及其制备方法和应用；一种新型碳纳米材料，其具有核壳结构，其中外壳层由碳层组成，内核由石墨烯聚集体组成；所述的核壳结构的结构形态具有类似于豆荚形态结构；该新型碳纳米材料具有氧还原催化活性，可作为燃料电池、锌空气电池、镁空气电池或铝空气电池的空气电极催化剂的应用。

技术领域

本发明属于碳材料领域，特别涉及一种碳纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于其诸多的物理、化学及生物特性，碳材料的用途极其广泛，被用于人类生产和生活的方方面面。特别是近三十年来，科学家们陆续发现了一些新型的纳米碳材料，例如富勒烯、碳纳米管、碳纳米角以及石墨烯等。这些新型的纳米碳材料由于独特的结构以及优异的力学、电子学、热学、光学及生物学等特性，被广泛应用于机械、电子、航空航天、冶金、化工以及医学等领域。正因为每一种纳米碳材料结构的特异性，决定了它们在性能及应用上并不能面面俱到。因此为了提升纳米碳材料的性能以及拓展它们的应用范围，通常有二种途径。一种途径是在原有纳米碳材料的基础上对它们进行改性或者重新组装成新的结构的材料，目前很多研究开发工作都通过这个途径来开展。另一种途径就是通过新的制备方法制备出全新结构的纳米碳材料，有望在性能和应用领域有新的发现和拓展。本发明的目的就是通过新的制备技术开发出全新结构的纳米碳材料。

发明内容

基于上述的研发构思，本发明提供了一种新型碳纳米材料及其制备方法和应用。

本发明的技术方案是：

一种新型碳纳米，所述的新型碳纳米具有核壳结构，其中外壳层由碳层组成，碳层为晶型石墨碳层或无定型碳层，内核由石墨烯片组成，该石墨烯片的单层石墨烯层数为1-10层，石墨烯片聚集在一起成花状的石墨烯片聚集体，石墨烯聚集体的尺寸大小为20-100nm。外壳碳层的厚度为5-20nm，整个核壳结构形态类似于豆荚形态结构，豆荚链长度约为50-500nm。所述的新型碳纳米化学组成含有氮元素，所述氮元素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；这种新型碳纳米材料具有氧还原催化剂性能，可应用于氢氧燃料电池、锌空气燃料电池、镁空气燃料电池以及铝空气燃料电池的空气电极催化剂。

一种新型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新型碳纳米材料；

所述石墨的纯度大于等于99.9wt％；

所述将放电腔抽成真空，真空度在20Pa以下；

所述的充入高纯氮气的初始气压选自0.5～1.5bar；

所述的放电电流选自80～120A；

放电起弧过程中阴阳两电极两端的起弧间距选自1～10mm；

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；

阳极石墨棒中铜催化剂的含量选自0.01～1at％，优选0.1～0.5at％，所述的含量为铜原子相对于石墨总原子的百分比；

所述的阳极石墨棒的横截面的形状可以是规则的形状，也可以是无规则的形状，优选规则形状圆形、椭圆形、方形或其他多边形之一，最优选圆形或方形；

所述的阳极石墨棒的制作方法有两种，分别如下：