[发明专利]阵列型掺杂多壁碳纳米管及其制备方法和电极材料

说明书

本申请提供了一种阵列型掺杂多壁碳纳米管，包括多壁碳纳米管和掺杂在多壁碳纳米管中的掺杂原子；该阵列型掺杂多壁碳纳米管具有径向导电通道，径向导电通道是由掺杂原子与多壁碳纳米管的相邻管壁通过共价键合形成，所述阵列型掺杂多壁碳纳米管的管径为1‑100nm，长度为10μm‑100μm。该阵列型掺杂多壁碳纳米管具有良好的导电性，将其应用在电极材料中能够提高电极材料的导电性。本申请还提供了阵列型掺杂多壁碳纳米管的制备方法。该制备方法工艺简单，操作便捷，所得的阵列型掺杂多壁碳纳米管的良品率高。本申请还提供了含有阵列型掺杂多壁碳纳米管的电极材料。

技术领域

本申请涉及多壁碳纳米管技术领域，具体涉及一种阵列型掺杂多壁碳纳米管及其制备方法和电极材料。

背景技术

碳纳米管是一种具有独特纳米中空结构的一维量子材料，可将其看作是由一层或多层石墨烯片按照一定螺旋角卷曲而成的、直径为纳米级的无缝管。根据石墨烯片层数可将碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，其中多壁碳纳米管则是由多层石墨烯片卷曲而成。多壁碳纳米管的轴向具有良好的导电通路，如图1所示，虚线箭头表示多壁碳纳米管的轴向导电通道，电子可沿轴向导电通道进行迁移。然而由于碳纳米管的管壁是由石墨烯片卷曲形成，电子难以在石墨烯片层之间传输，因此多壁碳纳米管沿径向的导电性差，从而限制了其作为导电剂在电极中的应用。

此外，根据碳纳米管在制备完成时的分散状态，可将其分为阵列型碳纳米管和聚团型碳纳米管，其中，阵列型碳纳米管是一类在基底表面整齐生长的、呈有序排列的碳纳米管，具有较好的取向性，管径分布均匀，有利于提升其导电、导热等效果；同时，相较于聚团状碳纳米管需要较高的能耗才能被分散开来，承载阵列型碳纳米管的基底较易被去除，得到多个分散的形貌完整的碳纳米管，且其分散后管长不至于被打断而变短。

因此，有必要提供一种径向导电性能较优异、形貌完整度高的阵列型多壁碳纳米管，以获得具有优异导电性能。

申请内容

鉴于此，本申请提供了一种阵列型掺杂多壁碳纳米管，该阵列型掺杂多壁碳纳米管具有径向导电通道，能够促进电子沿多壁碳纳米管的径向传输，进而使阵列型掺杂多壁碳纳米管具有良好的导电性，将其应用在电极材料中能够提高电极材料的导电性。

本申请第一方面提供了阵列型掺杂多壁碳纳米管，包括多壁碳纳米管和掺杂在所述多壁碳纳米管中的掺杂原子；所述阵列型掺杂多壁碳纳米管具有径向导电通道，所述径向导电通道由所述掺杂原子与所述多壁碳纳米管的相邻管壁通过共价键合形成；所述阵列型掺杂多壁碳纳米管的管径为1-100nm，长度为10μm-100μm。

本申请第一方面提供的阵列型掺杂多壁碳纳米管具有径向导电通道，促进了电子在多壁碳纳米管的径向传输，使阵列型掺杂多壁碳纳米管具有良好的导电性以及较好的电子传导能力，从而拓展了多壁碳纳米管的应用。此外，该阵列型掺杂多壁碳纳米管的尺寸均匀，导电性均一。

本申请第二方面提供了一种阵列型掺杂多壁碳纳米管的制备方法，包括：

将层状载体、插层剂、活性组分源、掺杂源和溶剂混合均匀，干燥后得到催化剂前驱体；所述活性组分源包括可溶性的过渡金属盐；

将所述催化剂前驱体进行煅烧，在煅烧过程中通入水蒸气，冷却后得到催化剂，所述催化剂包括所述层状载体和负载在所述层状载体上的活性组分及所述掺杂源，所述活性组分包括过渡金属活性颗粒；

将所述催化剂置于反应器中，在惰性气氛中通入碳源，通过化学气相沉积的方式在所述层状载体上形成掺杂多壁碳纳米管阵列，之后再去除所述催化剂，之后再去除所述催化剂，得到如本申请第一方面所述的阵列型掺杂多壁碳纳米管。

本申请第三方面也提供了一种阵列型掺杂多壁碳纳米管的制备方法，包括：

将活性组分源、掺杂源、层状载体和第一碳源分散于溶剂中，经干燥处理得到催化剂前驱体；所述活性组分源包括可溶性的过渡金属盐；