[发明专利]一种包裹Fe3C纳米晶的碳纳米管及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种包裹Fe₃C纳米晶的碳纳米管及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明先将铁源、三聚氰胺、1,3,5‑苯三甲酸与溶剂混合，进行溶剂热反应，得到封装有三聚氰胺的金属有机框架材料，再依次进行热解、酸刻蚀，得到包裹Fe₃C纳米晶的碳纳米管。其中三聚氰胺作为客体分子，1,3,5‑苯三甲酸作为有机配体，铁作为金属，在溶剂热反应时能一步自组装形成封装有三聚氰胺的金属有机框架材料，经热解后形成碳纳米管结构，在Fe₃C外层形成碳纳米管封装层。此制备方法简单，所得碳纳米管比表面积高，具有高活性和良好的稳定性，在碱性和酸性的条件下能够催化氧气还原，用做燃料电池阴极催化剂具有良好的催化效果。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种包裹Fe₃C纳米晶的碳纳米管及其制备方法和应用。

背景技术

随着能源危机和环境破坏的加剧，燃料电池已被公认为是新的化石燃料替代品，金属-空气电池技术已被公认为是高效的能源转换技术。高效的氧还原反应(ORR)催化剂在可再生能源技术中发挥着重要的作用。目前，贵金属铂及其合金在这些反应中表现出优异的催化性能。然而，这些贵金属催化剂高成本和资源短缺一直是阻碍这些能源技术大规模应用的主要因素。因此，开发低成本、高活性的非贵金属基催化剂来替代贵金属催化剂已成为当务之急。

近年来，一些过渡金属化合物如氮化物、磷化物、氧化物和碳化物等被广泛研究。但是如何提高这些材料的催化性能仍然是该领域的挑战性课题。影响催化剂的催化性能主要有以下几个方面的因素：(1)催化剂的组成； (2)催化剂的比表面积；(3)催化剂的孔结构；(4)材料的导电率。因此，要想获得高性能的催化剂就需要获得高活性位点及高比表面积的材料。空心结构材料的碳纳米管在电催化领域具有较高的催化活性和稳定性而成为研究热点。但是，通常碳纳米管材料的都是由CVD或者在H₂的氛围下通过热解的方法制备的，此法操作复杂，反应条件苛刻，不利于大规模制备。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种包裹Fe₃C纳米晶的碳纳米管的制备方法，此法操作简单，所得碳纳米管比表面积和导电率高，具有高活性和良好的催化稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种包裹Fe₃C纳米晶的碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铁源、三聚氰胺、1,3,5-苯三甲酸与溶剂混合，进行溶剂热反应，得到封装有三聚氰胺的金属有机框架材料；

(2)将所述封装有三聚氰胺的金属有机框架材料依次进行热解和酸刻蚀，得到包裹Fe₃C纳米晶的碳纳米管。

优选的，所述步骤(1)中铁源为氯化铁和硝酸铁的混合物，所述氯化铁和硝酸铁的混合物中氯化铁和硝酸铁的质量比为1:4～2:1；所述溶剂为乙醇和/或甲醇。

优选的，所述步骤(1)中铁源、三聚氰胺和1,3,5-苯三甲酸的质量比为 0.01～1.36:0.34～1.02:0.52～1.04。

优选的，所述步骤(1)中溶剂热反应的时间为50～65℃，时间为6～12h。

优选的，所述步骤(2)中热解的温度为700～900℃，时间为1～2h。

优选的，所述步骤(2)中酸刻蚀用刻蚀剂为HCl溶液，所述酸刻蚀的时间为12～24h。

优选的，所述酸刻蚀后，还包括对酸刻蚀产物进行后处理，所述后处理包括以下步骤：

对所述酸刻蚀产物依次进行离心、洗涤和干燥，得到包裹Fe₃C纳米晶的碳纳米管固体。