一种具有核-壳结构的含氮无定形碳层包裹碳纳米管一维材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及含氮无定形碳层包裹碳纳米管材料及其合成方法，具体地说是一种含氮、碳、铁元素，具有碳纳米管核-无定形碳层壳结构的高活性氧还原反应催化剂的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳材料制备简单，性能优良而且成本低廉，故而在人们的生活中得到了广泛应用。近年来，通过在碳载体上担载金属、金属氧化物或在碳材料的晶格中掺杂非金属杂原子，碳材料的应用范围得到了进一步扩展。在众多对碳材料的改性手段当中，氮元素的掺杂备受瞩目。具有强吸电子能力的氮原子能够有效降低其附近碳原子上的电子云密度，进而将其变为化学反应的活性位点。氮掺杂的碳材料在锂离子电池，场发射材料，催化剂载体，超级电容器，气体传感器，尤其是燃料电池阴极氧还原反应电催化剂等领域的应用成为了材料学领域的研究热点(JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C，2013 年，117 卷，8318-8328 页)。燃料电池技术作为一种高效率的化学能-电能转化手段，自其诞生之日起便被当作解决人类社会能源问题的最终答案之一(电池工业，2003年，第8卷，16-22页)。但是受制于阴极氧还原反应催化剂的活性问题，该技术一直未能有重大突破。现阶段唯一具有实用意义的催化剂活性组分为贵金属钼，其高昂的价格，较低的抗甲醇毒化能力以及较差的稳定性使得燃料电池，尤其是有望作为车辆动力的质子交换膜燃料电池技术难以得到大规模推广(Nature, 2012年，第486卷，43-51页)。上世纪60年代研究者受到生物体内血红蛋白携带氧气分子的启示，发现铁、钴金属离子配位的具有大环结构的卟啉、酞菁类有机大分子体现出了氧还原活性(Nature，1964年，第201卷，1212页)。后续研究发现，将这类化合物负载在具有高比表面积以及优良电传导性质的碳材料表面后再进行惰气氛围下的高温热处理，能够进一步提升材料的氧还原活性以及稳定性(Energy&Environmental Science, 2011年，第 4 卷,114-130 页；Applied Catalysis B !Environmental, 2005 年，第 56 卷，9-35 页)。然而以卟啉、酞菁类化合物作为活性中心的催化剂，或者将这两种化合物热解后得到的材料作为催化剂往往存在活性中心较少，氧还原活性偏低等缺陷。因为这类金属有机大分子的气化温度偏低，很多前体在形成活性中心以前就气化脱离了体系。使用本专利方法制备的含氮无定形碳层包裹碳纳米管材料，以含有卟啉结构基元的聚合物作为热解原料，可以有效避免上述问题，得到活性位点多且分布均匀的氧还原催化剂。实测其在碱性介质中的催化活性可以媲美商品化钼碳催化剂，同时具有良好的抗甲醇毒化能力以及稳定性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种简单的方法以制备高活性且不含贵金属的氧还原催化齐U。本发明的方法可有效克服现有催化剂因为使用贵金属而价格昂贵，同时抗甲醇能力低、稳定性差等缺陷。
[0004]为实现上述目的，本发明使用商品化的羧基碳纳米管作为起始材料，在其表面修饰氨基(也可以直接使用商品化的氨基碳纳米管)。通过醛基-氨基形成亚胺键的缩合反应，在氨基碳纳米管的表面包裹一层具有卟啉结构基元的的聚合物。在溶剂中通过回流的方法使得聚合物骨架中的氮原子与三价铁离子配位，最后在氮气氛围中通过热解得到铁-碳-氮三元体系的氧还原催化剂。通过调节各原料的用量可以获得在碱性介质中媲美贵金属催化剂的活性的材料。
[0005]一种具有核-壳结构的含氮无定形碳层包裹碳纳米管一维材料制备方法，包括如下制备步骤:
[0006](1)配制由15-4011^对苯二醒、81]11^乙醇、1-31]11^ 3mol/L醋酸溶液组成的反应液I ;
[0007](2)配制由 10_50mg5,10,15, 20-四(4_ 氛基苯基)P卜琳、8mL 乙醇、l_3mL 3mol/L醋酸溶液组成的反应液2 ;
[0008](3)在超声条件下，将20_70mg氨基修饰碳纳米管超声分散于反应液I中并保持超声时间大于30min，之后离心分离碳纳米管；
[0009](4)在超声条件下，将离心得到的碳纳米管超声分散于反应液2中并保持超声时间大于30min，之后离心分离碳纳米管；
[0010](5)重复操作(3)、(4)，将分离后的碳纳米管加温干燥；
[0011](6)取定量的金属铁盐溶解于10_50mL乙醇中，加入步骤(5)得到的材料回流时间大于3小时，然后除去乙醇，干燥得到的产品；
[0012](7)将干燥后的产物于惰性气体氛围或者真空中升温至600-900摄氏度，保持0.5-3小时，得到最终产品。
[0013]所述氨基碳纳米管的制备具体方法为:
[0014]a.将100-300mg羧基碳纳米管分散于2-5mL DMF和30_60mL SOCl2混合溶液中65°C下反应24小时，然后离心分离并干燥；
[0015]b.将前述所得产品分散于50mL THF中，加入500_1000mg对苯二氨并回流24小时，所得产品离心分离并干燥，得到氨基碳纳米管。
[0016]所述金属铁盐为氯化铁，氯化亚铁，硝酸铁，硫酸亚铁以及醋酸亚铁。
[0017]所述惰性气氛为氮气或者氩气气氛或者上述两种气体的混合气氛。
[0018]所述适量金属铁盐的用量在10mg_80mg范围内。
[0019]所述材料由权利要求1所述方法制备，其形貌为碳纳米管外包裹一层含有铁元素以及氮元素无定形碳层的核-壳结构。具体实施例的形貌如图2、图3所示。图4的XRD衍射图样证明铁元素的存在。
[0020]所述材料能够在特定条件下替代现在被广泛使用的贵金属催化剂。其在碱性环境下的氧气还原反应中体现出了优良的活性。具体活性测试数据如图5所示，实施例3的催化剂体现出了比商品化钼碳催化剂更大的极限扩散电流以及更高的半波电位。
[0021]具体可按如下步骤操作:
[0022](I)在搅拌条件下，将100-300mg羧基碳纳米管分散于2_5mL DMF和30_60mL SOCl2混合溶液中，升高温度至65摄氏度并搅拌24小时，然后离心分离并干燥，得到酰氯基团修饰的碳纳米管；
[0023](2)在搅拌条件下，将前述所得产品超声分散于50mL THF中，加入500-1000mg对苯二氨并回流24小时，所得产品离心分离并干燥，得到氨基碳纳米管。如果能够直接购买到商品化的氨基碳纳米管，则可以省略上述步骤直接使用；
[0024](3)分别配制由15-40mg对苯二醛、8mL乙醇、l_3mL 3mol/L醋酸溶液组成的反应液I和由10-50mg5，10，15，20-四(4-氨基苯基)卟啉、8mL乙醇、l_3mL 3mol/L醋酸溶液组成的反应液2。在超声条件下，将40mg氨基修饰碳纳米管超声分散于反应液I中并保持超声30min，之后离心分离碳纳米管；在超声条件下，将离心得到的碳纳米管超声分散于反应液2中并保持超声30min，之后离心分离碳纳米管；重复上述操作一次，将分离后的碳纳米管加温干燥。
[0025](4)取定量的金属铁盐溶解于20mL乙醇中，加入前述材料回流3小时，然后使用旋转蒸发仪除去乙醇，并将干燥后的产物于惰性气体氛围中升温至600-900摄氏度，保持0.5-3小时，得到最终产品
[0026]所述金属铁盐为FeCl36H20 ;所述惰性气氛为氮气气氛；所述适量铁盐的用量在10mg-80mg 范围内。