[发明专利]一种原位合成钴氮共掺杂碳纳米管的方法

说明书

本发明公开了一种原位合成钴氮共掺杂碳纳米管的方法，包含以下操作步骤：(1)采用2，6‑二乙酰基吡啶与2，6二氨基嘌呤作为反应物，以乙醇为溶剂，搅拌12h发生脱水缩合，形成聚2,6‑双‑[(2‑(‑氨基嘌呤基)亚氨基)乙基]吡啶聚合物；(2)向步骤(1)所得聚合物中加入金属钴盐进行混合配位，搅拌，抽滤干燥，高温热解，冷却，即得钴氮掺杂碳纳米管。本发明合成的钴氮掺杂碳纳米管含氮量4at％‑5at％，钴含量为0.1‑0.5at％，合成过程简洁、易操作，材料来源广泛，价格低廉，环境友好。

技术领域

本发明涉及电化学能源材料技术领域，特别涉及一种原位合成钴氮共掺杂碳纳米管的方法。

背景技术

碳是自然界来源最为广泛的元素之一，存在各式各样结构从一维到三维的同素异形体。其中，碳纳米管的发现是科学史上的重大突破，引起了世界范围内研究人员的广泛关注。碳纳-米管由日本研究人员S.Iijima率先通过电弧法制备出来，一经问世，由于其良好的导电性，突出的力学性能被人们所知。理论和实验研究表明，碳纳米管具有极高的强度，理论计算值为钢的100倍。同时碳纳米管具有极高的韧性，十分柔软，被认为是未来的超级纤维。这里的纳米碳管的力学概念是指，以单个单质特性存在的闭合全同粒子的原子力学性质，透光性能等使其在多种行业领域中受到广泛的关注。更重要的是碳纳米管具有较大的比表面积，特殊的管道结果以及多壁碳纳米管之间的类石墨层隙，使其成为最有潜力的储氢材料，在燃料电池方面有着重要的作用。碳纳米管的产量充足，投资成本低，经过研究人员的努力，碳纳米管材料的生产制备已经朝着规模化，商业化的方向迅速发展。

由于其卓越的物理化学特性，碳纳米管在燃料电池电催化领域的应用具有极大的应用潜力。但是值得注意的是，单纯的碳基纳米管由于内部缺陷少，活性位点密度低，很难产生高催化活性。研究人员经过无数次的实验探究发现，当N原子掺杂到碳纳米管石墨片层后，氮掺杂碳纳米管的电催化活性会有极大的提高，由于氮原子和碳原子在元素周期表中位置相近，且氮的电负性大于碳，氮原子比碳原子多一个价电子，氮原子的掺入改变了周围碳原子的电子结构和能带隙，使碳材料的导电形式发生改变，使得自由载流子数量增加；氮掺杂进入六元环结构后可形成吡啶型，吡咯型及石墨型等含氮官能团，这些官能团可提高碳材料表面活性，还可对其电子结构进行调节，且氮原子的尺寸大小及电负性均与碳原子不同，在材料内部造成电荷的重新排布及因掺杂引起的晶体缺陷。同时，掺杂原子可引起自旋再分配从而产生新的更为优异理化性能，可作为具有吸附金属原子能力的活性位，增强金属原子与碳原子间的相互作用。所以，氮掺杂碳纳米管方面的研究吸引了众多科学工作者的目光。

目前，常见的碳纳米管的合成方法有石墨电弧法，化学气相沉积法和激光蒸发法等。其中被广泛使用的化学气相沉积法(CVD)主要是经高温热解碳前驱体，使其在催化剂上分散，析出并以一定的顺序重新组合。而氮掺杂碳纳米管通常需要借助氢气，氨气，甲烷等爆炸性气体参与在高温高压条件下完成氮掺杂。其过程非常繁琐，生产成本高且对环境污染严重。另一种是通过强酸处理对碳纳米管的表面进行化学处理。此种处理方式在引入氮官能团的时候也会导致原有的结构遭到破坏，破坏其本征特性，同时造成严重的环境污染。因此开发一种新型简单过渡金属基氮掺杂碳纳米管非常有必要。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，发明一种原位合成原子钴分散的氮掺杂碳纳米管的方法，旨在得到一种具备钴氮共掺杂的、导电性能良好、具有超高稳定性和催化性能优异的碳纳米管。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种原位合成钴氮共掺杂碳纳米管的方法，包含以下操作步骤：