[发明专利]一种金属单原子与氮双掺杂的碳微米管的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及碳微米管制备技术领域，具体公开一种金属单原子与氮双掺杂的碳微米管的制备方法及其应用。所述方法包括：（1）提供含有1,3,5‑三（4‑氨基苯基）苯和金属盐的有机溶剂，备用。（2）将酸液加入至步骤（1）的有机溶剂中进行聚合反应，得到碳微米管前驱体。（3）将所述碳微米管前驱体在惰性气氛下煅烧，即得。相比较传统的一些碳管合成方法，本发明利用1,3,5‑三（4‑氨基苯基）苯和金属盐在酸性溶液中能够发生原位聚合反应的特点，一步合成了金属单原子和氮双掺杂的中空碳微米管，这种方法操作简便、形貌和尺寸可控、掺杂的异原子分散更均匀、有效降低材料的制备成本。

技术领域

本发明涉及碳微米管制备技术领域，具体涉及一种金属单原子与氮双掺杂的碳微米管的制备方法及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息旨在增加对本发明总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

自1991年日本的Iijima发现了碳纳米管以来，碳纳米管便一直作为研究热点被广泛关注，碳纳米管俗称巴基管（buckytubes），是一种由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管，由于具有独特的官腔结构、六边形碳原子构型、电子和机械性能，因此具有独特的电化学、光学、磁力学等性质。在电极材料、催化剂、微电子元件、燃料电池等的材料选材方面常被优先考虑，特别是将其作为燃料电池的催化剂载体使用，有很大的商业价值。

近年来，随着碳纳米管的不断发展，碳微米管因具有与纳米管相似的结构和物理化学性能受到越来越多的关注。由于碳纳米管管径较细容易在高温或者电化学过程中析出晶体而堵塞管体，从而会降低其在催化、微纳反应器、微纳米流体传输、离子电池等方向上的应用价值。而碳微米管具有大的管径，在催化等过程中能更好的传递、加速催化产物的排出。另一方面，其相对较大的管径，在掺杂过程中不易让掺杂元素发生团聚，从而利于掺杂元素的均匀分布。

当前，碳微米管的制备方法主要是模板法、水热法等。模板法首先是制备微米管或者微米纤维，再通过高温催化沉积或者液相沉积配合高温分解制备表面碳层，最后通过酸刻蚀得到碳微米管。水热法是通过无水乙醇、乙二醇、甲苯、六代溴苯等为碳源，加入适量催化剂，在高温高压下制备所得。通过以上方法制备的碳微米管进一步应用到催化、离子电池等领域需要通过浸渍或者高温蒸发等方法进行元素掺杂。这些掺杂工艺存在掺杂元素不均匀、容易团聚，与碳微米管基体结合不紧密的缺点。以上可知，目前碳微米管的制备和掺杂改性条件较为苛刻，亟需一种温和简单的制备和掺杂方法。

发明内容

本发明的目的是解决目前合成和掺杂改性碳微米管的方法较为复杂、工艺要求高以及掺杂元素的种类和分布不可控的问题。为此本发明提供一种金属单原子与氮双掺杂的碳微米管的制备方法，该方法制备流程简单易操作且可控，最后得到金属元素呈单原子分散状态的掺杂碳微米管。为实现上述目的，本发明公开如下技术方案：

在本发明的第一方面，提供一种金属单原子与氮双掺杂的碳微米管的制备方法，包括步骤：

（1）提供含有1,3,5-三（4-氨基苯基）苯和金属盐的有机溶剂，备用。

（2）将酸液加入至步骤（1）的有机溶剂中进行聚合反应，得到碳微米管前驱体。

（3）将所述碳微米管前驱体在惰性气氛下煅烧，即得。

进一步地，步骤（1）中，所述有机溶剂包括乙腈、乙二醇、N，N-二甲基甲酰胺等中的至少一种。

进一步地，步骤（1）中，所述1,3,5-三（4-氨基苯基）苯和金属盐中金属离子的比例为摩尔比700：3~70：3。

进一步地，所述金属盐对应的金属元素包括：铁、锰、钴、镍、铂、钯等中的任意一种。

进一步地，所述金属盐的溶液包括金属离子的硝酸盐溶液、硫酸盐溶液、盐酸盐溶液、醋酸盐溶液等中的至少一种，如硝酸铁、硫酸锰、氯化钴、醋酸镍、氯化铂、硝酸钯等。