一種含金屬原子納米碳材料及其制備方法和應(yīng)用以及一種烴脫氫反應(yīng)方法與流程

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一種含金屬原子納米碳材料及其制備方法和應(yīng)用以及一種烴脫氫反應(yīng)方法與流程

本發(fā)明涉及一種含金屬原子納米碳材料，本發(fā)明還涉及一種含金屬原子納米碳材料的制備方法以及由該方法制備的含金屬原子納米碳材料，本發(fā)明又涉及一種通過將上述含金屬原子納米碳材料進(jìn)行焙燒而制備的含金屬原子納米碳材料，本發(fā)明進(jìn)一步涉及根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料作為烴脫氫反應(yīng)的催化劑的應(yīng)用、以及一種烴脫氫反應(yīng)方法。

背景技術(shù)：

烴類物質(zhì)的脫氫反應(yīng)是一類重要的反應(yīng)類型，例如大部分低碳鏈烯烴是通過低碳鏈烷烴的脫氫反應(yīng)而獲得的。脫氫反應(yīng)根據(jù)氧氣是否參與可以劃分為直接脫氫反應(yīng)(即，氧氣不參與)和氧化脫氫反應(yīng)(即，氧氣參與)兩類。

多種類型的納米碳材料已被證明對烴類物質(zhì)的直接脫氫反應(yīng)和氧化脫氫反應(yīng)均具有催化效果，在納米碳材料中引入氧原子和/或氮原子則可以改善其催化活性。

在納米碳材料中引入氧原子，可以在納米碳材料表面形成羥基、羰基、羧基、酯基和酸酐等含氧官能團(tuán)。

可以通過對納米碳材料進(jìn)行氧化處理實(shí)現(xiàn)在納米碳材料中引入氧原子，從而增加納米碳材料中含氧官能團(tuán)的含量。例如，可以將納米碳材料在強(qiáng)酸(如hno3、h2so4)和/或強(qiáng)氧化性溶液(如h2o2、kmno4)中進(jìn)行回流反應(yīng)，在回流反應(yīng)的同時(shí)還可以輔助進(jìn)行微波加熱或超聲振蕩，以增強(qiáng)氧化反應(yīng)的效果。但是，在強(qiáng)酸和/或強(qiáng)氧化性溶液中進(jìn)行回流反應(yīng)可能會對納米碳材料的骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，甚至破壞納米碳材料的骨架結(jié)構(gòu)。例如：將納米碳材料在硝酸中進(jìn)行回流反應(yīng)，雖然可以在納米碳材料表面引入大量含氧官能團(tuán)，但是極易造成納米碳材料被切斷和/或明顯增加石墨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的缺陷位，從而降低納米碳材料的性能，如熱穩(wěn)定性。另外，通過在強(qiáng)酸和/或強(qiáng)氧化性溶液中進(jìn)行回流反應(yīng)，以引入氧原子時(shí)，氧原子的引入量對反應(yīng)操作條件的依賴性高，波動范圍較寬。

在納米碳材料中引入氮原子時(shí)，根據(jù)氮原子在納米碳材料中所處化學(xué)環(huán)境的不同，通常將氮原子劃分為化學(xué)氮和結(jié)構(gòu)氮?；瘜W(xué)氮主要是以表面官能團(tuán)的形式出現(xiàn)在材料的表面，如氨基或亞硝?；缺砻婧倌軋F(tuán)。結(jié)構(gòu)氮是指進(jìn)入納米碳材料的骨架結(jié)構(gòu)與碳原子鍵合的氮原子。結(jié)構(gòu)氮主要包括石墨型氮(即，)、吡啶型氮(即，)和吡咯型氮(即，)。石墨型氮直接取代石墨晶格中的碳原子，形成飽和氮原子；吡啶型氮和吡咯型氮為不飽和氮原子，在取代碳原子的同時(shí)，常會造成臨近碳原子的缺失，形成缺陷位。

可以通過在納米碳材料合成過程中引入含氮的功能性氣氛(如氨氣、氮?dú)狻⒛蛩亍⑷矍璋?，利用高溫和/或高壓在納米碳材料的合成過程中將氮元素同時(shí)引入到納米碳材料的骨架結(jié)構(gòu)和/或表面中；也可以通過將納米碳材料置于含氮的功能性氣氛(如氨氣、氮?dú)?、尿素、三聚氰?中，利用高溫和/或高壓將氮元素引入到納米碳材料的表面。高溫和/或高壓盡管可以在納米碳材料中形成結(jié)構(gòu)氮，但是含氮物種的類型依賴于反應(yīng)條件，不易控制；并且，如此產(chǎn)生的不同類型的含氮物種在納米碳材料的表面分布不均勻，導(dǎo)致含氮納米碳材料的性能不穩(wěn)定。還可以通過將納米碳材料進(jìn)行氧化處理，然后與胺反應(yīng)，從而在納米碳材料表面引入氮原子，如此引入的氮原子基本為化學(xué)氮。

盡管有關(guān)納米碳材料的摻雜改性及其催化性能的研究取得了諸多進(jìn)展，但是對于其中的一些基本問題仍未形成共識，依然需要對摻雜改性納米碳材料及其制備方法和催化性能進(jìn)行深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種含金屬原子納米碳材料的制備方法，采用該方法不僅能在納米碳材料表面引入金屬原子，而且能穩(wěn)定地提高納米碳材料中氧原子和氮原子的含量，同時(shí)對納米碳材料本身的結(jié)構(gòu)影響不大。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種含金屬原子納米碳材料，該含金屬原子納米碳材料用于烴類物質(zhì)的脫氫反應(yīng)時(shí)，不僅能獲得更高的原料轉(zhuǎn)化率，而且能獲得更高的產(chǎn)物選擇性。

本發(fā)明的又一目的在于提供一種烴脫氫反應(yīng)方法，該方法能獲得更高的原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性。

根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種含金屬原子納米碳材料，該含金屬原子納米碳材料含有c元素、o元素、n元素和至少一種金屬元素，以該含金屬原子納米碳材料的總量為基準(zhǔn)并以元素計(jì)，o元素的總量為2-10重量％，n元素的總量為0.8-8重量％，所述金屬元素的總量為1-8重量％，c元素的總量為74-96.2重量％；

該含金屬原子納米碳材料中，由x射線光電子能譜確定的氧元素的總含量為io^t，由x射線光電子能譜中529.5-530.8ev范圍內(nèi)的峰確定的o元素的含量為io^m，io^m/io^t在0.02-0.4的范圍內(nèi)；

該含金屬原子納米碳材料中，由x射線光電子能譜中531.0-532.5ev范圍內(nèi)的峰確定的o元素的量為io^c，由x射線光電子能譜中532.6-533.5ev范圍內(nèi)的峰確定的o元素的量為io^e，io^c/io^e在0.5-2的范圍內(nèi)；

該含金屬原子納米碳材料中，由x射線光電子能譜確定該含金屬原子納米碳材料中的n元素的總量為in^t，由x射線光電子能譜中398.5-400.1ev范圍內(nèi)的峰確定的n元素的量為in^c，in^c/in^t在0.01-0.5的范圍內(nèi)，由x射線光電子能譜中403.5-406.5ev范圍內(nèi)的峰確定的n元素的含量為inⁿ，inⁿ/in^t在0.5-0.99的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種含金屬原子納米碳材料的制備方法，該方法包括將一種分散有原料納米碳材料和至少一種硝酸金屬鹽的水分散液于密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)過程中，所述水分散液的溫度保持在100-300℃的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種由根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)方面的方法制備的含金屬原子納米碳材料。

根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種含金屬原子納米碳材料，該含金屬原子納米碳材料是將根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面或者第三個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料進(jìn)行焙燒而制得的。

根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)方面，本發(fā)明提供了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料、根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料、或者根據(jù)本發(fā)明第四個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料作為烴脫氫反應(yīng)的催化劑的應(yīng)用。

根據(jù)本發(fā)明的第六個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種烴脫氫反應(yīng)方法，該方法包括在存在或不存在氧氣的條件下，在烴脫氫反應(yīng)條件下，將烴與根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料、根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料、或者根據(jù)本發(fā)明第四個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料接觸。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料的制備方法，不僅能穩(wěn)定地調(diào)控和/或提高納米碳材料中金屬原子和雜原子的含量，同時(shí)對納米碳材料本身的結(jié)構(gòu)影響小。并且，根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料的制備方法，制備的含金屬原子納米碳材料具有穩(wěn)定的性能。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料在烴類物質(zhì)的脫氫反應(yīng)中顯示出良好的催化性能，能明顯提高原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。

圖1為實(shí)施例1制備的含金屬原子納米碳材料的透射電子顯微鏡照片。

圖2為實(shí)施例1使用的原料納米碳材料的透射電子顯微鏡照片。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明中，納米碳材料是指分散相尺度至少有一維小于100nm的碳材料。

根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種含金屬原子納米碳材料，該含金屬原子納米碳材料含有c元素、o元素、n元素和至少一種金屬元素。本發(fā)明中，“至少一種”表示一種或兩種以上。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，所述金屬元素選自可以形成硝酸金屬鹽的金屬元素，如選自元素周期表中第ia族金屬元素、第iia族金屬元素、第iiib族金屬元素、第ivb族金屬元素、第vb族金屬元素、第vib族金屬元素、第viib族金屬元素、第viii族金屬元素、第ib族金屬元素、第iib族金屬元素、第iiia族金屬元素、第iva族金屬元素和第va族金屬元素。所述金屬元素的具體實(shí)例可以包括但不限于鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鍶、鈧、釔、稀土金屬元素(如鑭、鈰、鐠)、鈦、鋯、釩、鈮、鉻、鉬、鎢、錳、鐵、釕、鈷、銠、鎳、鈀、鉑、銅、銀、金、鋅、鋁、鍺、錫、鉛和銻。優(yōu)選地，所述金屬元素選自第iiib族金屬元素、第ivb族金屬元素、第vb族金屬元素、第vib族金屬元素、第viib族金屬元素、第viii族金屬元素、第ib族金屬元素和第iib族金屬元素，此時(shí)將該含金屬原子納米碳材料用作烴脫氫反應(yīng)的催化劑時(shí)，能獲得更高的催化活性。更優(yōu)選地，所述金屬元素選自第viii族金屬元素，更優(yōu)選為鐵、釕、鈷、銠、鎳、鈀和鉑，此時(shí)將該含金屬原子納米碳材料用作烴脫氫反應(yīng)的催化劑時(shí)，能獲得進(jìn)一步提高的催化活性。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，以該含金屬原子納米碳材料的總量為基準(zhǔn)并以元素計(jì)，o元素的總量為2-10重量％，優(yōu)選為2.5-8重量％，更優(yōu)選為3.5-7重量％；n元素的總量為0.8-8重量％，優(yōu)選為1-7重量％，更優(yōu)選為1.5-5重量％；所述金屬元素的總量為1-8重量％，優(yōu)選為1.2-6重量％，更優(yōu)選為1.5-4.5重量％；c元素的總量為74-96.2重量％，優(yōu)選為79-95.3重量％，更優(yōu)選為83.5-93.5重量％。其中，各元素的含量采用x射線光電子能譜法測定。樣品在測試前在150℃的溫度下于氦氣氣氛中干燥3小時(shí)。

本發(fā)明中，x射線光電子能譜分析在thermoscientific公司的配備有thermoavantagev5.926軟件的escalab250型x射線光電子能譜儀上進(jìn)行測試，激發(fā)源為單色化alkαx射線，能量為1486.6ev，功率為150w，窄掃描所用通透能為30ev，分析測試時(shí)的基礎(chǔ)真空為6.5×10^-10mbar，電子結(jié)合能用單質(zhì)碳的c1s峰(284.0ev)校正，在thermoavantage軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在分析模塊中采用靈敏度因子法進(jìn)行定量分析。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，該含金屬原子納米碳材料中，由x射線光電子能譜確定的氧元素的總含量為io^t，由x射線光電子能譜中529.5-530.8ev范圍內(nèi)的峰確定的o元素(即，與金屬原子鍵合的氧原子)的含量為io^m，io^m/io^t在0.02-0.4的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，io^m/io^t在0.04-0.35的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，io^m/io^t在0.05-0.3的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，由x射線光電子能譜中531.0-533.5ev范圍內(nèi)的峰確定的o元素的含量為io^nm，io^nm/io^t在0.6-0.98的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.75-0.96的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.7-0.95的范圍內(nèi)。本發(fā)明中，在表示數(shù)值范圍時(shí)，“在×-×的范圍內(nèi)”包括兩個(gè)邊界數(shù)值。

本發(fā)明中，將x射線光電子能譜中的o1s譜峰的面積記為ao¹，將o1s譜峰分成兩組峰，將在529.5-530.8ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于與金屬原子相連的氧物種)的面積記為ao²，將在531.0-533.5ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于不與金屬原子相連的氧物種)的面積記為ao³，其中，io^m/io^t＝ao²/ao¹，io^nm/io^t＝ao³/ao¹。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，由x射線光電子能譜中531.0-532.5ev范圍內(nèi)的峰確定的o元素(即，c＝o)的量為io^c，由x射線光電子能譜中532.6-533.5ev范圍內(nèi)的峰確定的o元素(即，co)的量為io^e，io^c/ii^e在0.5-2的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.55-1.8的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.7-1.5的范圍內(nèi)。本發(fā)明中，將x射線光電子能譜中在531.0-533.5ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于不與金屬原子相連的氧物種)進(jìn)一步分成兩組峰，即在531.0-532.5ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于c＝o物種)以及在532.6-533.5ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于c-o物種)，將在531.0-532.5ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為ao⁴，將在532.6-533.5ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為ao⁵，io^c/io^e＝ao⁴/ao⁵。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，以該含金屬原子納米碳材料中由x射線光電子能譜確定的c元素的總量為基準(zhǔn)，由x射線光電子能譜中284.7-284.9ev范圍內(nèi)的峰確定的c元素(即，石墨型碳)的含量可以為60-98重量％，優(yōu)選為65-95重量％，更優(yōu)選為70-90重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為70-85重量％；由x射線光電子能譜中286.0-288.8ev范圍內(nèi)的峰確定的c元素的總含量可以為2-40重量％，優(yōu)選為5-35重量％，更優(yōu)選為10-30重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為15-30重量％。本發(fā)明中，由x射線光電子能譜中的c1s譜峰的面積ac¹確定c元素的總量，將x射線光電子能譜中的c1s譜峰分成兩組峰，即在284.7-284.9ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于石墨型碳物種)以及在286.0-288.8ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于非石墨型碳物種)，將在284.7-284.9ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為ac²，將在286.0-288.8ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為ac³，由x射線光電子能譜中284.7-284.9ev范圍內(nèi)的峰確定的c元素的含量＝ac²/ac¹，由x射線光電子能譜中286.0-288.8ev范圍內(nèi)的峰確定的c元素的總含量＝ac³/ac¹。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，該含金屬原子納米碳材料中，由x射線光電子能譜中288.6-288.8ev范圍內(nèi)的峰確定的c元素的量為ic^c，由x射線光電子能譜中286.0-286.2ev范圍內(nèi)的峰確定的c元素的量為ic^e，ic^c/ic^e在0.5-3的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.5-2.5的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.6-2的范圍內(nèi)。本發(fā)明中，將x射線光電子能譜中在286.0-288.8ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于非石墨碳物種)進(jìn)一步劃分為兩組峰，即在286.0-286.2ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于羥基和醚型碳物種)以及在288.6-288.8ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于羧基、酐和酯型碳物種)，將在286.0-286.2ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為ac⁴，將在288.6-288.8ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為ac⁵，ic^c/ic^e＝ac⁵/ac⁴。

根據(jù)本發(fā)明含金屬原子納米碳材料，由x射線光電子能譜確定該金屬納米碳材料中的n元素的總量為in^t，由x射線光電子能譜中403.5-406.5ev范圍內(nèi)的峰確定的n元素(即，-no2物種)的含量為inⁿ，inⁿ/in^t在0.5-0.99的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.6-0.9的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.7-0.85的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，由x射線光電子能譜確定該含金屬原子納米碳材料中的n元素的總量為in^t，由x射線光電子能譜中398.5-400.1ev范圍內(nèi)的峰確定的n元素(即，除石墨型氮以及-no2型氮外的氮物種)的量為in^c，in^c/in^t在0.01-0.5的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.05-0.4的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.1-0.25的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，由x射線光電子能譜中400.6-401.5ev范圍內(nèi)的峰確定的n元素(即，石墨型氮)含量較低甚至不含。一般地，根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料中，由x射線光電子能譜中400.6-401.5ev范圍內(nèi)的峰確定的n元素的量為in^g，in^g/in^t為不高于0.2，一般在0.02-0.15的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.04-0.08的范圍內(nèi)。

本發(fā)明中，由x射線光電子能譜中的n1s譜峰的面積確定n元素的總量an¹，將x射線光電子能譜中的n1s譜峰分成三組峰，即在403.5-406.5ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于-no2物種)、在400.6-401.5ev范圍內(nèi)的譜峰(對應(yīng)于石墨型氮物種)以及398.5-400.1ev范圍內(nèi)的譜峰(除石墨型氮以及-no2型氮外的氮物種)，將在400.6-401.5ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為an²，將在398.5-400.1ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為an³，將在403.5-406.5ev范圍內(nèi)的譜峰的面積記為an⁴，in^c/in^t＝an³/an¹，in^g/in^t＝an²/an¹，inⁿ/in^t＝an⁴/an¹，在得到的比值為低于0.01時(shí)，認(rèn)為不含該類物種，并將該類物種的含量記為0。

本發(fā)明中，各峰的位置由該峰的峰頂所對應(yīng)的結(jié)合能確定，由上文所述范圍確定的峰是指峰頂所對應(yīng)的結(jié)合能處于該范圍內(nèi)的峰，在該范圍內(nèi)可以包括一個(gè)峰，也可以包括兩個(gè)以上的峰。例如：398.5-400.1ev范圍內(nèi)的峰是指峰頂所對應(yīng)的結(jié)合能處于398.5-400.1ev的范圍內(nèi)的全部峰。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料可以以常見的各種形態(tài)存在，具體可以為但不限于含金屬原子碳納米管、含金屬原子石墨烯、含金屬原子薄層石墨、含金屬原子納米碳顆粒、含金屬原子納米碳纖維、含金屬原子納米金剛石和含金屬原子富勒烯中的一種或兩種以上的組合。所述含金屬原子的碳納米管可以為含金屬原子單壁碳納米管、含金屬原子雙壁碳納米管和含金屬原子多壁碳納米管中的一種或兩種以上的組合。根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，優(yōu)選為含金屬原子多壁碳納米管。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，優(yōu)選地，所述含金屬原子多壁碳納米管的比表面積為50-500m²/g，這樣能進(jìn)一步提高該含金屬原子納米碳材料的催化性能，特別是作為烴類物質(zhì)脫氫反應(yīng)的催化劑的催化性能。更優(yōu)選地，該含金屬原子多壁碳納米管的比表面積為80-300m²/g。進(jìn)一步優(yōu)選地，該含金屬原子多壁碳納米管的比表面積為100-200m²/g。更進(jìn)一步優(yōu)選地，該含金屬原子多壁碳納米管的比表面積為120-180m²/g。本發(fā)明中，所述比表面積由氮?dú)馕絙et法測定。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，所述含金屬原子多壁碳納米管在400-800℃的溫度區(qū)間內(nèi)的失重率為w800，在400-500℃的溫度區(qū)間內(nèi)的失重率為w500，w500/w800優(yōu)選在0.01-0.5的范圍內(nèi)，這樣能夠獲得更好的催化效果，特別是用作烴類物質(zhì)脫氫反應(yīng)的催化劑時(shí)，能獲得更好的催化效果。更優(yōu)選地，w500/w800在0.02-0.2的范圍內(nèi)。進(jìn)一步優(yōu)選地，w500/w800在0.05-0.1的范圍內(nèi)。本發(fā)明中，w800＝w800－w400，w500＝w500－w400，w400為在400℃的溫度下測定的質(zhì)量損失率，w800為在800℃的溫度下測定的質(zhì)量損失率，w500為在500℃的溫度下測定的質(zhì)量損失率；所述失重率采用熱重分析儀在空氣氣氛中測定，測試起始溫度為25℃，升溫速率為10℃/min；樣品在測試前在150℃的溫度和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下于氦氣氣氛中干燥3小時(shí)。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述含金屬原子納米碳材料優(yōu)選為含金屬原子多壁碳納米管，該含金屬原子多壁碳納米管的比表面積為50-500m²/g，優(yōu)選為80-300m²/g，更優(yōu)選為100-200m²/g，進(jìn)一步優(yōu)選為120-180m²/g；并且，w500/w800在0.01-0.5的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.02-0.2的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.05-0.1的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，對于除氧原子和氮原子外的其它非金屬雜原子，如硫原子和磷原子，其含量可以為常規(guī)含量。一般地，根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料中，除氧原子和氮原子外的其它非金屬雜原子(如硫原子和磷原子)的總量可以為0.5重量％以下，優(yōu)選為0.2重量％以下，更優(yōu)選為0.1重量％以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.05重量％以下。根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料，除前述金屬元素外，還可以含有其它金屬原子，所述其它金屬原子例如可以為來源于制備納米碳材料時(shí)使用的催化劑。所述其它金屬原子的含量一般為2.5重量％以下，優(yōu)選為2重量％以下，進(jìn)一步優(yōu)選為1重量％以下，更進(jìn)一步優(yōu)選為0.5重量％以下，特別優(yōu)選為0.2重量％以下。

根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種含金屬原子納米碳材料的制備方法，該方法包括將一種分散有原料納米碳材料和至少一種硝酸金屬鹽的水分散液于密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的方法，所述硝酸金屬鹽中的金屬元素選自可以形成硝酸金屬鹽的金屬元素，如選自元素周期表中第ia族金屬元素、第iia族金屬元素、第iiib族金屬元素、第ivb族金屬元素、第vb族金屬元素、第vib族金屬元素、第viib族金屬元素、第viii族金屬元素、第ib族金屬元素、第iib族金屬元素、第iiia族金屬元素、第iva族金屬元素和第va族金屬元素。所述硝酸金屬鹽中的金屬元素的具體實(shí)例可以包括但不限于鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鋇、鍶、鈧、釔、稀土金屬元素(如鑭、鈰、鐠)、鈦、鋯、釩、鈮、鉻、鉬、鎢、錳、鐵、釕、鈷、銠、鎳、鈀、鉑、銅、銀、金、鋅、鋁、鍺、錫和銻。優(yōu)選地，所述硝酸金屬鹽中的金屬元素選自第iiib族金屬元素、第ivb族金屬元素、第vb族金屬元素、第vib族金屬元素、第viib族金屬元素、第viii族金屬元素、第ib族金屬元素和第iib族金屬元素，由此制備的含金屬原子納米碳材料在用作烴脫氫反應(yīng)的催化劑時(shí)，能獲得更高的催化活性。更優(yōu)選地，所述硝酸金屬鹽中的金屬元素選自第viii族金屬元素，更優(yōu)選選自鐵、釕、鈷、銠、鎳、鈀和鉑，由此制備的含金屬原子納米碳材料用作烴脫氫反應(yīng)的催化劑時(shí)，能獲得進(jìn)一步提高的催化活性。

根據(jù)本發(fā)明的方法，所述硝酸金屬鹽的用量可以根據(jù)預(yù)期在原料納米碳材料中引入的氮元素、氧元素以及金屬元素的含量以及種類進(jìn)行選擇。在最終制備的含金屬原子納米碳材料在用作烴脫氫反應(yīng)的催化劑時(shí)，優(yōu)選地，原料納米碳材料：硝酸金屬鹽的重量比在1：0.01-5的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，原料納米碳材料：硝酸金屬鹽的重量比在1：0.02-2的范圍內(nèi)。進(jìn)一步優(yōu)選地，原料納米碳材料：硝酸金屬鹽的重量比在1：0.1-1.5的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的方法，可以根據(jù)原料納米碳材料的量對水的用量進(jìn)行選擇。優(yōu)選地，原料納米碳材料：h2o的重量比在1：2-200的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，原料納米碳材料：h2o的重量比在1：5-100的范圍內(nèi)。進(jìn)一步優(yōu)選地，原料納米碳材料：h2o的重量比在1：15-50的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的方法，所述反應(yīng)的條件以足以在原料納米碳材料中引入足量的氧原子、氮原子和金屬原子為準(zhǔn)。優(yōu)選地，反應(yīng)過程中，所述水分散液的溫度在100-300℃的范圍內(nèi)。在所述水分散液的溫度處于上述范圍之內(nèi)時(shí)，不僅能有效地提高原料納米碳材料中的氧原子含量，而且不會對原料納米碳材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生明顯影響。更優(yōu)選地，反應(yīng)過程中，所述水分散液的溫度在100-270℃的范圍內(nèi)。進(jìn)一步優(yōu)選地，反應(yīng)過程中，所述水分散液的溫度在150-180℃的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的方法，所述反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)反應(yīng)的溫度進(jìn)行選擇，以能夠在原料納米碳材料中引入足量的氧原子、氮原子和金屬原子為準(zhǔn)。一般地，所述反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間可以在0.5-144小時(shí)的范圍內(nèi)，優(yōu)選在2-72小時(shí)的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在12-48小時(shí)的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的方法，可以采用常用的各種方法來形成所述水分散液，例如可以將原料納米碳材料分散在水中，然后加入所述硝酸金屬鹽混合均勻，從而得到所述水分散液。為了進(jìn)一步提高原料納米碳材料的分散效果，同時(shí)縮短分散的時(shí)間，可以采用超聲振蕩的方法將原料納米碳材料分散在水中。所述超聲振蕩的條件可以為常規(guī)選擇，一般地，所述超聲振蕩的頻率可以為10-200khz，優(yōu)選為40-60khz；所述超聲振蕩的持續(xù)時(shí)間可以為0.1-6小時(shí)，優(yōu)選為0.5-1小時(shí)。所述硝酸金屬鹽可以以溶液(優(yōu)選為水溶液)的形式提供，也可以以純物質(zhì)的形式提供，沒有特別限定。

根據(jù)本發(fā)明的方法，所述原料納米碳材料中氧元素和氮元素的含量沒有特別限定，可以為常規(guī)選擇。一般地，所述原料納米碳材料中氧元素的含量為不高于1.5重量％，優(yōu)選為不高于1.2重量％，更優(yōu)選為不高于0.5重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為不高于0.3重量％；氮元素的含量為不高于0.5重量％，優(yōu)選為不高于0.2重量％，更優(yōu)選為不高于0.1重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為不高于0.05重量％，更進(jìn)一步優(yōu)選為不高于0.02重量％。根據(jù)本發(fā)明的方法，所述原料納米碳材料中除氧原子和氮原子外的其余非金屬雜原子(如磷原子和硫原子)的總量(以元素計(jì))可以為常規(guī)含量。一般地，所述原料納米碳材料中除氧元素和氮元素外的其余非金屬雜原子的總量(以元素計(jì))為不高于0.5重量％，優(yōu)選為不高于0.2重量％，更優(yōu)選為不高于0.1重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為不高于0.05重量％。根據(jù)本發(fā)明的方法，所述原料納米碳材料根據(jù)來源的不同，可能含有一些金屬元素，例如來源于制備原料納米碳材料時(shí)使用的催化劑中的金屬原子。所述原料納米碳材料中金屬原子的含量(以元素計(jì))一般為2.5重量％以下，優(yōu)選為1.8重量％以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.5重量％以下，更進(jìn)一步優(yōu)選為0.1重量％以下。

根據(jù)本發(fā)明的方法，原料納米碳材料在使用前可以采用本領(lǐng)域常用的方法進(jìn)行預(yù)處理(如洗滌)，以除去原料納米碳材料表面的一些雜質(zhì)；也可以不進(jìn)行預(yù)處理，直接使用。本發(fā)明公開的實(shí)施例中，原料納米碳材料在使用前均未進(jìn)行預(yù)處理。

根據(jù)本發(fā)明的方法，可以對各種存在形態(tài)的納米碳材料進(jìn)行處理，從而提高該納米碳材料中的氧原子、氮原子和金屬原子含量。所述原料納米碳材料可以為但不限于碳納米管、石墨烯、納米金剛石、薄層石墨、納米碳顆粒、納米碳纖維和富勒烯中的一種或兩種以上的組合。所述碳納米管可以為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或兩種以上的組合。優(yōu)選地，所述原料納米碳材料為碳納米管，更優(yōu)選為多壁碳納米管。

根據(jù)本發(fā)明的方法，在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述原料納米碳材料為多壁碳納米管，所述多壁碳納米管的比表面積可以為50-500m²/g，優(yōu)選為80-300m²/g，更優(yōu)選為100-260m²/g，進(jìn)一步優(yōu)選為120-190m²/g。

在所述原料納米碳材料為多壁碳納米管時(shí)，所述多壁碳納米管在400-800℃的溫度區(qū)間內(nèi)的失重率為w800，在400-500℃的溫度區(qū)間內(nèi)的失重率為w500，w500/w800可以在0.01-0.5的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.02-0.4的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.05-0.35的范圍內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選在0.05-0.15的范圍內(nèi)。

在本發(fā)明的一種更為優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述原料納米碳材料為多壁碳納米管，所述多壁碳納米管的比表面積為50-500m²/g，優(yōu)選為80-300m²/g，更優(yōu)選為100-260m²/g，進(jìn)一步優(yōu)選為120-190m²/g；所述多壁碳納米管在400-800℃的溫度區(qū)間內(nèi)的失重率為w800，在400-500℃的溫度區(qū)間內(nèi)的失重率為w500，w500/w800在0.01-0.5的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.02-0.4的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.05-0.35的范圍內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選在0.05-0.15的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的方法，所述反應(yīng)在密閉容器中進(jìn)行。所述反應(yīng)可以在自生壓力(即，不額外施加壓力)下進(jìn)行，也可以在加壓的條件下進(jìn)行。優(yōu)選地，所述反應(yīng)在自生壓力下進(jìn)行。所述密閉容器可以為常見的能實(shí)現(xiàn)密封和加熱的反應(yīng)器，如高壓反應(yīng)釜。

根據(jù)本發(fā)明的方法，還可以包括從反應(yīng)得到的混合物中分離出固體物質(zhì)，并將分離出的固體物質(zhì)進(jìn)行干燥，從而得到所述含金屬原子納米碳材料。

可以采用常用的固液分離方法從反應(yīng)得到的混合物中分離出固體物質(zhì)，如離心、過濾和傾析中的一種或兩種以上的組合。

所述干燥的條件可以為常規(guī)選擇，以能脫除分離出的固體物質(zhì)中的揮發(fā)性物質(zhì)為準(zhǔn)。一般地，所述干燥可以在50-200℃的溫度下進(jìn)行，優(yōu)選在80-180℃的溫度下進(jìn)行，更優(yōu)選在100-150℃的溫度下進(jìn)行，進(jìn)一步優(yōu)選在110-120℃的溫度下進(jìn)行。所述干燥的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)干燥的溫度和方式進(jìn)行選擇。一般地，所述干燥的持續(xù)時(shí)間可以為2-48小時(shí)，優(yōu)選為4-24小時(shí)，更優(yōu)選為6-8小時(shí)。所述干燥可以在常壓(即，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下進(jìn)行，也可以在減壓的條件下進(jìn)行。從進(jìn)一步提高干燥的效率的角度出發(fā)，所述干燥優(yōu)選在減壓的條件下進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的方法，能有效地提高原料納米碳材料中的氧原子、氮原子和金屬原子含量，同時(shí)不會對原料納米碳材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生明顯影響。

由此，根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種由根據(jù)本發(fā)明的方法制備的含金屬原子納米碳材料。

根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種含金屬原子納米碳材料，該含金屬原子納米碳材料是將根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料或者根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)方面的含金屬原子納米碳材料進(jìn)行焙燒而制得的。

所述焙燒可以在常規(guī)條件下進(jìn)行。優(yōu)選地，所述焙燒在250-500℃的溫度下進(jìn)行。更優(yōu)選地，所述焙燒在300-450℃的溫度下進(jìn)行。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述焙燒在320-400℃的溫度下進(jìn)行。所述焙燒的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)焙燒的溫度進(jìn)行選擇。一般地，所述焙燒的持續(xù)時(shí)間可以為1-24小時(shí)，優(yōu)選為2-12小時(shí)，更優(yōu)選為3-8小時(shí)。所述焙燒可以在含氧氣氛中進(jìn)行，也可以在由惰性氣體形成的氣氛中進(jìn)行。所述含氧氣氛可以為空氣氣氛；還可以為氧氣與惰性氣體混合形成的混合氣氛，所述混合氣氛中，氧氣的含量可以為0.1-22體積％。所述惰性氣體可以包括但不限于氮?dú)夂?或稀有氣體，所述稀有氣體可以為氬氣和/或氦氣。從便利性和成本等角度考慮，優(yōu)選地，所述焙燒在含氧氣氛(如空氣氣氛)中進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料或者由本發(fā)明的方法制備的含金屬原子納米碳材料具有良好的催化性能，特別是在烴類物質(zhì)脫氫反應(yīng)中顯示出較高的催化活性。

根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料或者由本發(fā)明的方法制備的含金屬原子納米碳材料可以直接用作催化劑，也可以以成型催化劑的形式使用。所述成型催化劑可以含有根據(jù)本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料或者由本發(fā)明的方法制備的含金屬原子納米碳材料以及粘結(jié)劑。所述粘結(jié)劑可以根據(jù)該成型催化劑的具體使用場合進(jìn)行選擇，以能夠滿足使用要求為準(zhǔn)，例如可以為有機(jī)粘結(jié)劑和/或無機(jī)粘結(jié)劑。所述有機(jī)粘結(jié)劑可以為常見的各種聚合物型粘結(jié)劑，所述無機(jī)粘結(jié)劑可以為常見的各種耐熱無機(jī)氧化物，如氧化鋁和/或氧化硅。在所述成型催化劑為對烴脫氫反應(yīng)(如直接脫氫反應(yīng)和氧化脫氫反應(yīng))、特別是對氧化脫氫反應(yīng)具有催化作用的成型催化劑時(shí)，所述粘結(jié)劑優(yōu)選為無機(jī)粘結(jié)劑。所述成型催化劑中，含金屬原子納米碳材料的含量可以根據(jù)具體使用要求進(jìn)行選擇，沒有特別限定，一般地，以所述成型催化劑的總量為基準(zhǔn)，所述含金屬原子納米碳材料的含量可以為5-95重量％。

根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用，所述含金屬原子納米碳材料可以直接用于烴脫氫反應(yīng)，也可以成型后用于烴脫氫反應(yīng)。所述脫氫反應(yīng)可以在氧氣存在下進(jìn)行，也可以不在氧氣存在下進(jìn)行。優(yōu)選地，所述脫氫反應(yīng)在氧氣存在下進(jìn)行，這樣能獲得更好的催化效果。

根據(jù)本發(fā)明的烴脫氫反應(yīng)方法，所述含金屬原子納米碳材料可以直接用于與烴接觸，也可以將所述含金屬原子納米碳材料成型后用于與烴接觸。

根據(jù)本發(fā)明的烴脫氫反應(yīng)方法可以對多種類型的烴進(jìn)行脫氫，從而得到不飽和烴，如烯烴。根據(jù)本發(fā)明的方法特別適于對烷烴進(jìn)行脫氫，從而得到烯烴。

根據(jù)本發(fā)明的方法，所述烴優(yōu)選為烷烴，如c2-c12的烷烴。具體地，所述烴可以為但不限于乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷、新戊烷、環(huán)戊烷、正己烷、2-甲基戊烷、3-甲基戊烷、2,3-二甲基丁烷、環(huán)己烷、甲基環(huán)戊烷、正庚烷、2-甲基己烷、3-甲基己烷、2-乙基戊烷、3-乙基戊烷、2,3-二甲基戊烷、2,4-二甲基戊烷、正辛烷、2-甲基庚烷、3-甲基庚烷、4-甲基庚烷、2,3-二甲基己烷、2,4-二甲基己烷、2,5-二甲基己烷、3-乙基己烷、2,2,3-三甲基戊烷、2,3,3-三甲基戊烷、2,4,4-三甲基戊烷、2-甲基-3-乙基戊烷、正壬烷、2-甲基辛烷、3-甲基辛烷、4-甲基辛烷、2,3-二甲基庚烷、2,4-二甲基庚烷、3-乙基庚烷、4-乙基庚烷、2,3,4-三甲基己烷、2,3,5-三甲基己烷、2,4,5-三甲基己烷、2,2,3-三甲基己烷、2,2,4-三甲基己烷、2,2,5-三甲基己烷、2,3,3-三甲基己烷、2,4,4-三甲基己烷、2-甲基-3-乙基己烷、2-甲基-4-乙基己烷、3-甲基-3-乙基己烷、3-甲基-4-乙基己烷、3,3-二乙基戊烷、1-甲基-2-乙基環(huán)己烷、1-甲基-3-乙基環(huán)己烷、1-甲基-4-乙基環(huán)己烷、正丙基環(huán)己烷、異丙基環(huán)己烷、三甲基環(huán)己烷(包括三甲基環(huán)己烷的各種異構(gòu)體，如1,2,3-三甲基環(huán)己烷、1,2,4-三甲基環(huán)己烷、1,2,5-三甲基環(huán)己烷、1,3,5-三甲基環(huán)己烷)、正癸烷、2-甲基壬烷、3-甲基壬烷、4-甲基壬烷、5-甲基壬烷、2,3-二甲基辛烷、2,4-二甲基辛烷、3-乙基辛烷、4-乙基辛烷、2,3,4-三甲基庚烷、2,3,5-三甲基庚烷、2,3,6-三甲基庚烷、2,4,5-三甲基庚烷、2,4,6-三甲基庚烷、2,2,3-三甲基庚烷、2,2,4-三甲基庚烷、2,2,5-三甲基庚烷、2,2,6-三甲基庚烷、2,3,3-三甲基庚烷、2,4,4-三甲基庚烷、2-甲基-3-乙基庚烷、2-甲基-4-乙基庚烷、2-甲基-5-乙基庚烷、3-甲基-3-乙基庚烷、4-甲基-3-乙基庚烷、5-甲基-3-乙基庚烷、4-甲基-4-乙基庚烷、4-丙基庚烷、3,3-二乙基己烷、3,4-二乙基己烷、2-甲基-3,3-二乙基戊烷、苯乙烷、1-苯基丙烷、2-苯基丙烷、1-苯基丁烷、2-苯基丁烷、1-苯基戊烷、2-苯基戊烷和3-苯基戊烷中的一種或兩種以上的組合。更優(yōu)選地，所述烴為丙烷、正丁烷、異丁烷和苯乙烷中的一種或兩種以上。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述烴為正丁烷。

根據(jù)本發(fā)明的烴脫氫反應(yīng)方法，所述反應(yīng)可以在存在氧氣的條件下進(jìn)行，也可以在不存在氧氣的條件下。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的烴脫氫反應(yīng)方法，在存在氧氣的條件下進(jìn)行。在本發(fā)明的方法在存在氧氣的條件下進(jìn)行時(shí)，氧氣的用量可以為常規(guī)選擇。一般地，烴與氧氣的摩爾比可以為0.01-100：1，優(yōu)選為0.1-10：1，更優(yōu)選為0.2-5：1，最優(yōu)選為0.5-2：1。

根據(jù)本發(fā)明的烴脫氫反應(yīng)方法，可以通過載氣將烴和可選的氧氣送入反應(yīng)器中與含金屬原子納米碳材料接觸反應(yīng)。所述載氣可以為常用的在反應(yīng)條件下不會與反應(yīng)物和反應(yīng)生成物發(fā)生化學(xué)相互作用并且不會發(fā)生分解的氣體，如氮?dú)狻⒍趸?、稀有氣體和水蒸氣中的一種或兩種以上的組合。所述載氣的用量可以為常規(guī)選擇。一般地，載氣的含量可以為30-99.5體積％，優(yōu)選為50-99體積％，更優(yōu)選為70-98體積％。

根據(jù)本發(fā)明的烴脫氫反應(yīng)方法，所述接觸的溫度可以為常規(guī)選擇，以足以使烴發(fā)生脫氫反應(yīng)為準(zhǔn)。一般地，所述接觸可以在200-650℃的溫度下進(jìn)行，優(yōu)選在300-600℃的溫度下進(jìn)行，更優(yōu)選在350-550℃的溫度下進(jìn)行，進(jìn)一步優(yōu)選在400-450℃的溫度下進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的烴脫氫反應(yīng)方法，所述接觸可以在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行，也可以在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行，沒有特別限定。優(yōu)選地，所述接觸在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的烴脫氫反應(yīng)方法，所述接觸的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)接觸的溫度進(jìn)行選擇，如所述接觸在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，可以用進(jìn)料的氣體的體積空速來表示接觸的持續(xù)時(shí)間。一般地，進(jìn)料的氣體的體積空速可以為0.1-10000h^-1，優(yōu)選為1-6000h^-1，更優(yōu)選為5-5000h^-1，進(jìn)一步優(yōu)選為10-4000h^-1，例如800-1200h^-1。

以下結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明，但并不因此限制本發(fā)明的范圍。

以下實(shí)施例和對比例中，x射線光電子能譜分析在thermoscientific公司的配備有thermoavantagev5.926軟件的escalab250型x射線光電子能譜儀上進(jìn)行測試，激發(fā)源為單色化alkαx射線，能量為1486.6ev，功率為150w，窄掃描所用通透能為30ev，分析測試時(shí)的基礎(chǔ)真空為6.5×10^-10mbar，電子結(jié)合能用單質(zhì)碳的c1s峰(284.0ev)校正，在thermoavantage軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在分析模塊中采用靈敏度因子法進(jìn)行定量分析。樣品在測試前在150℃的溫度和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下于氦氣氣氛中干燥3小時(shí)。

以下實(shí)施例和對比例中，熱重分析在ta5000熱分析儀上進(jìn)行，測試條件為空氣氣氛，升溫速度為10℃/min，溫度范圍為室溫(25℃)至1000℃。樣品在測試前在150℃的溫度和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下于氦氣氣氛中干燥3小時(shí)。采用美國micromertrics公司的asap2000型n2物理吸附儀測定比表面積。采用美國fei公司生產(chǎn)的高分辨透射電鏡分析原料納米碳材料以及含金屬原子納米碳材料的微觀形貌。

實(shí)施例1-19用于說明本發(fā)明的含金屬原子納米碳材料及其制備方法。

實(shí)施例1

(1)將20g作為原料納米碳材料的多壁碳納米管(比表面積為136m²/g，氧原子含量為0.3重量％，氮原子含量為0.02重量％，除氮和氧外的其余非金屬雜原子(磷和硫)的總含量為0.01重量％，金屬原子總含量為0.1重量％，在400-800℃溫度區(qū)間內(nèi)的失重率為w800，在400-500℃溫度區(qū)間內(nèi)的失重率為w500，w500/w800為0.12，購自中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司)分散在去離子水中，分散在超聲振蕩條件下進(jìn)行，超聲振蕩條件包括：頻率為40khz，時(shí)間為0.5小時(shí)。然后，加入作為硝酸金屬鹽的硝酸鐵，混合均勻，從而得到水分散液，其中，硝酸金屬鹽以20重量％水溶液的形式提供，按原料納米碳材料：硝酸鐵：h2o的重量比為1：1.25：23.75的比例投料。

(2)將得到的水分散液置于帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，于180℃的溫度下，在自生壓力下反應(yīng)12小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，待高壓反應(yīng)釜內(nèi)的溫度降至室溫后，打開反應(yīng)釜，將反應(yīng)混合物進(jìn)行過濾和洗滌，并收集固體物質(zhì)。將收集到的固體物質(zhì)在常壓(1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，下同)、120℃的溫度下干燥6小時(shí)，得到含金屬原子納米碳材料，該含金屬原子納米碳材料的組成、比表面積以及w500/w800在表1中列出。

圖1為制備的含金屬原子納米碳材料的透射電子顯微鏡照片，圖2為作為原料的多壁碳納米管的透射電子顯微鏡照片。從圖1和圖2可以看出，含金屬原子納米碳材料的微觀形態(tài)良好，表明反應(yīng)過程對含金屬原子納米碳材料的結(jié)構(gòu)影響不大。

對比例1

將與實(shí)施例1相同的水分散液置于配備冷凝管的三口燒瓶中，將該三口燒瓶置于溫度為180℃的油浴中，在常壓下回流反應(yīng)12小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，待三口燒瓶內(nèi)的溫度降至室溫后，將反應(yīng)混合物進(jìn)行過濾和洗滌，并收集固體物質(zhì)。將收集到的固體物質(zhì)在常壓、120℃的溫度下干燥6小時(shí)，得到含金屬原子納米碳材料。