[发明专利]一种具有碳纳米管核@功能无定形碳壳单元的纳米网络结构碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种具有碳纳米管核@功能无定形碳壳单元的纳米网络结构碳材料及其制备方法和应用。其中，所述纳米网络结构碳材料由含溴官能团碳纳米管上接枝功能高分子过渡金属盐，离心或抽滤搭接成宏观材料后经过固相热交联及炭化制得。所述的纳米网络结构碳材料具有独特的异质核壳结构：具有高度石墨化结构的碳纳米管作为核，而具有高活性无机组分修饰的无定形碳作为壳；该核壳网络单元在各个方向共价连结形成的三维连通网络结构，不仅保证了高活性无机组分修饰纳米网络结构碳材料的高导电性及多功能性，还为新材料提供了兼具发达存储位点和快速传质的层次化孔道结构，可应用于锂电池和电催化等应用领域中。

技术领域

本发明涉及纳米碳材料领域，尤其涉及一种具有碳纳米管核@功能无定形碳壳单元的纳米网络结构碳材料及其制备方法和应用

背景技术

纳米网络结构碳材料是一类由纳米碳网络单元相互共价连接而成的新型纳米碳材料，除了兼具纳米碳材料的上述常规优点外，还具有独特的三维连通的层次化纳米网络孔道结构，在吸附、缓释、能源、催化和环境等领域具有广泛的应用前景。

众所周知，网络单元决定纳米网络材料的孔结构、骨架化学和物理结构，进而决定材料的性能及用途，因此网络单元一直被认为是设计纳米网络结构的核心要素。很长一段时间以来，由于人们一直沿用经典的溶胶-凝胶方法来制备纳米网络结构材料(即酚醛树脂基炭气凝胶)，网络单元一直停留在传统的(准)无孔纳米球。近几年来，发展了一类新型的聚苯乙烯超交联法，相继设计制备了一系列具有微孔纳米球、微孔壳-中孔腔空心纳米球和微孔纳米线等新颖网络单元的纳米网络结构碳材料。然而，无论是酚醛树脂基还是聚苯乙烯基反应原料 (即构筑单元)，均缺乏高功能基团，且需经过工艺繁琐的液相交联反应以确保网络骨架的可成碳性，导致所得纳米网络结构碳材料的碳骨架理化结构通常较为单一、缺乏层次化设计，非常不利于其高功能化和高性能化，致使其应用范围受到极大限制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供了一种具有碳纳米管核@功能无定形碳壳单元的纳米网络结构碳材料及其制备方法与应用，本发明在纳米网络结构构建理念的源头上进行创新，采用新型功能杂化分子刷作为构筑单元，借助免溶剂固相热交联法，设计构筑了一类全新的具有碳纳米管核@功能无定形碳壳单元的纳米网络结构碳材料。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种具有碳纳米管核@功能无定形碳壳单元的纳米网络结构碳材料，所述的纳米网络结构碳材料由含溴官能团碳纳米管上接枝功能高分子过渡金属盐，离心或抽滤搭接成宏观材料后经过固相热交联及炭化制得。

优选地，所述的功能高分子过渡金属盐包括聚对苯乙烯磺酸钠、聚对苯乙烯磺酸镍、聚对苯乙烯磺酸钠钴、聚4-乙烯基吡啶-镍、聚4-乙烯基吡啶-钴中的一种或几种。

第二方面，本发明提供了一种具有碳纳米管核@功能无定形碳壳单元的纳米网络结构碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳纳米管(CNT)改性接上溴基，得到含溴官能团碳纳米管(CNT-Br)；

(2)将步骤(1)中制备得到的含溴官能团碳纳米管、高分子单体、配体、溶剂一混合均匀，超声20-40min后，在惰性气体保护下反应20-40min，再加入催化剂，通入惰性气体20-40min后，在65-80℃下反应12-32h，得到中间产物一；

(3)在步骤(2)制备得到的中间产物一中加入溶剂二，离心并用盐酸溶液洗涤数次，将离心产物分散在金属盐溶液中，再次离心并将离心产物用水和/或乙醇洗涤数次，然后在 70-90℃下干燥10-14h，得到中间产物二；

(4)将步骤(3)中制备得到的中间产物二在气体流速为200-500mL/min的惰性气体氛围下，以2-10℃/min的升温速率升温至600-1000℃，炭化3-10h，即得到具有碳纳米管核@功能无定形碳壳单元的纳米网络结构碳材料。