[发明专利]一种金属掺杂碳管/碳片复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种金属掺杂碳管/碳片复合材料及其制备方法和应用，该方法以有机改性的层状金属氢氧化物为模板，首先将金属与有机配体通过配位反应沉积到改性的层状金属氢氧化物表面形成金属配合物包覆层状金属氢氧化物的复合前驱体，然后对复合前驱体通过高温碳化反应，高温碳化过程制备得到金属掺杂碳管/碳片复合材料，其中金属原子均匀地掺杂在碳管/碳片复合结构中；该复合材料作为氧还原催化剂，表现出高效、稳定的电催化性能，该方法制备过程简单，设备要求低、原料廉价，在新型碳复合材料制备和电池领域具有潜在的应用。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种金属掺杂碳管/碳片复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳管/碳片复合材料是一类有一维碳管和二维纳米层状碳片复合得到的微纳结构的碳材料，将碳管独特一维空心结构、良好的导电性、稳定性和力学性能与二维碳片的大比表面积、孔体积有机结合，实现了一维和二维碳材料在三维空间独特的微纳结构。碳管/碳片复合材料相对于一维碳管材料，其具有较高的比表面和孔道结构，相对于二维碳片，其具有更好地导电性和三维连通结构。将其作为电催化剂，既具有高的比表面积，又具有三维微纳结构，可实现活性位点的有效暴露，提升传质效果和电子转移能力，是理想的催化剂及载体。此外，将金属均匀地掺杂到碳管/碳片复合材料提升催化剂的电催化性能也是亟待解决的问题。因此，如何通过简单的方法制备出金属均匀地掺杂的碳管/碳片复合材料，仍然是当前研究微纳米结构碳材料制备以及电化学催化剂研究的难点。

发明内容

本发明的目的是针对上述研究存在的难点提出一种金属掺杂碳管/碳片复合材料的制备方法及应用。本发明首先利用表面活性剂对层状金属氢氧化物改性，并以此为层状模板，将金属与有机配体通过配位反应沉积到层状金属氢氧化物表面形成金属配合物包覆层状金属氢氧化物的复合前驱体，然后对复合前驱体通过高温碳化反应，模板制备碳片，原位制备生长碳管，制备得到金属掺杂碳管/碳片复合材料，其中金属原子均匀地掺杂在碳管/碳片复合结构中；该复合材料作为氧还原催化剂，表现出高效、稳定的电催化性能，该方法工艺过程简单，设备要求低、原料廉价，在新型碳复合材料制备和电池领域的应用前景广阔。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种金属掺杂碳管/碳片复合材料的制备方法，所述的方法如下：

(1)将层状金属氢氧化物加入到溶剂中并搅拌均匀，然后加入表面活性剂，再次搅拌溶解，然后超声1～3h，得到有机改性层状金属氢氧化物混合液；

(2)将有机配体加入到步骤(1)的混合液中，搅拌0.5～1.5h，得到含配体的混合液，将金属盐加入到含配体的混合液中，配位反应1～3小时，反应结束后进行干燥，即可得到金属配合物包覆的有机改性层状金属氢氧化物复合前驱体；

其中：层状金属氢氧化物、表面活性剂与有机配体的质量比为1：(0.01-3)：(0.1-5)；金属盐与有机配体的摩尔比为1：(1-15)；

(3)将步骤(2)得到的复合前驱体放于管式炉中，高温碳化反应，金属配合物在有机改性层状金属氢氧化物表面碳化形成碳纳米片，同时在升温过程金属催化原位生长碳管，获得金属掺杂碳管/碳片/金属氧化物复合材料；

(4)称取步骤(3)得到金属掺杂碳管/碳片/金属氧化物复合材料加入到盐酸溶液中1～5h，去除金属氧化物，再经过离心、洗涤、干燥，得到金属掺杂碳管/碳片复合材料。

一种金属掺杂碳管/碳片复合材料，该材料是通过如下方法制备得到：

(1)将层状金属氢氧化物加入到溶剂中并搅拌均匀，然后加入表面活性剂，再次搅拌溶解，然后超声1～3h，得到有机改性层状金属氢氧化物混合液；

(2)将有机配体加入到步骤(1)的混合液中，搅拌0.5～1.5h，得到含配体的混合液，将金属盐加入到含配体的混合液中，配位反应1～3小时，反应结束后进行干燥，即可得到金属配合物包覆的有机改性层状金属氢氧化物复合前驱体；