专利汇可以提供一种含杂原子纳米碳材料及其制备方法和应用以及一种烃脱氢反应方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种含杂 原子 纳米 碳 材料及其制备方法和应用以及一种 烃 脱氢反应方法,该含杂原子纳米碳材料含有 氧 、氢和碳,该含杂原子纳米碳材料中过氧基团的浓度为0.1×10‑6mol/g至3×10‑6mol/g。本发明的含杂原子纳米碳材料在烃类物质氧化脱氢反应中显示出良好的催化活性,同时仍然保持了纳米碳材料本身所具有的良好特性,具有较好的 稳定性 。本发明的含杂原子 纳米材料 的制备方法能稳定地调控纳米碳材料中的杂原子含量及其存在形态,同时对纳米碳材料本身的结构影响小。,下面是一种含杂原子纳米碳材料及其制备方法和应用以及一种烃脱氢反应方法专利的具体信息内容。
1.含杂原子纳米碳材料作为烃氧化脱氢反应的催化剂的应用,所述含杂原子纳米碳材料含有氧元素、氢元素和碳元素,以所述含杂原子纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为3-9重量%,所述氢元素的含量为0.1-3重量%,所述碳元素的含量为88-
96.9重量%;所述含杂原子纳米碳材料中过氧基团的浓度为0.1×10-6mol/g至3×10-6mol/g,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为大于2。
2.根据权利要求1所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料中过氧基团的浓度为
0.2×10-6mol/g至2.5×10-6mol/g。
3.根据权利要求2所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料中过氧基团的浓度为
0.3×10-6mol/g至1.2×10-6mol/g。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.1-3摩尔%。
5.根据权利要求4所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.3-2.8摩尔%。
6.根据权利要求5所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.4-2.7摩尔%。
7.根据权利要求6所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.5-2摩尔%。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为2-5:1。
9.根据权利要求8所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为2-4:1。
10.根据权利要求9所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为2-3.5:1。
11.根据权利要求1-3中任意一项所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.1-1:1。
12.根据权利要求11所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.2-0.8:1。
13.根据权利要求12所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.25-0.7:1。
14.根据权利要求1-3中任意一项所述的应用,其中,在所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于吸附水的谱峰确定的氧元素的含量为5摩尔%以下。
15.根据权利要求14所述的应用,其中,在所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于吸附水的谱峰确定的氧元素的含量为0.1-3摩尔%。
16.根据权利要求1-3中任意一项所述的应用,其中,以所述含杂原子纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为4-9重量%,所述氢元素的含量为0.2-1.5重量%,所述碳元素的含量为89.5-95.8重量%。
17.根据权利要求16所述的应用,其中,以所述含杂原子纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为4-7重量%,所述氢元素的含量为0.3-0.9重量%,所述碳元素的含量为92.1-95.7重量%。
18.根据权利要求1-3中任意一项所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料为含杂原子碳纳米管。
19.根据权利要求18所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料为含杂原子多壁碳纳米管。
20.根据权利要求19所述的应用,其中,所述含杂原子多壁碳纳米管的比表面积为50-
500m2/g。
21.根据权利要求20所述的应用,其中,所述含杂原子多壁碳纳米管的比表面积为70-
300m2/g。
22.根据权利要求21所述的应用,其中,所述含杂原子多壁碳纳米管的比表面积为120-
285m2/g。
23.根据权利要求18所述的应用,其中,所述含杂原子多壁碳纳米管在400-800℃的温度区间内的失重率为w800,在400-500℃的温度区间内的失重率为w500,w500/w800在0.01-0.3的范围内。
24.根据权利要求23所述的应用,其中,w500/w800在0.02-0.2的范围内。
25.根据权利要求24所述的应用,其中,w500/w800在0.1-0.15的范围内。
26.根据权利要求1所述的应用,其中,所述含杂原子纳米碳材料的制备方法包括:
步骤A1、将原料纳米碳材料与至少一种氧化剂接触,以得到经氧化处理的纳米碳材料;
步骤B1、在还原反应条件下,将经氧化处理的纳米碳材料与至少一种还原剂接触,所述原料纳米碳材料含有氧元素、氢元素和碳元素,以所述原料纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为0.1-1重量%,所述氢元素的含量为0.1-1重量%,所述碳元素的含量为98-99.8重量%,
所述原料纳米碳材料中,过氧基团的浓度为0.1×10-6mol/g以下;制备的含杂原子纳米碳材料中,过氧基团的浓度为0.1×10-6mol/g至3×10-6mol/g;
所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述原料纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.1-1:1。
27.根据权利要求26所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料含有氧元素、氢元素和碳元素,以所述原料纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为0.5-0.9重量%;所述氢元素的含量为0.3-0.6重量%;所述碳元素的含量为98.5-99.2重量%,制备的含杂原子纳米碳材料中,过氧基团的浓度为0.2×10-6mol/g至2.5×10-6mol/g。
28.根据权利要求27所述的应用,其中,制备的含杂原子纳米碳材料中,过氧基团的浓度为0.3×10-6mol/g至1.2×10-6mol/g。
29.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤A1中,所述氧化剂为选自HNO3、H2SO4、过氧化氢和式I所示的过氧化物中的一种或两种以上,
式I中,R1和R2各自选自H、C4-C12的直链或支链烷基、C6-C12的芳基、C7-C12的芳烷基以及且R1和R2不同时为H,R3为C4-C12的直链或支链烷基或者C6-C12的芳基。
30.根据权利要求29所述的应用,其中,所述氧化剂为HNO3和/或H2SO4。
31.根据权利要求30所述的应用,其中,所述氧化剂为HNO3和H2SO4。
32.根据权利要求31所述的应用,其中,所述氧化剂为HNO3和H2SO4,且HNO3和H2SO4摩尔比为1:3-10。
33.根据权利要求32所述的应用,其中,HNO3和H2SO4摩尔比为1:3.5-7.5。
34.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为500-50000重量份。
35.根据权利要求34所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为500-15000重量份。
36.根据权利要求35所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为550-10000重量份。
37.根据权利要求36所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为1000-6000重量份。
38.根据权利要求37所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为2000-5000重量份。
39.根据权利要求38所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为3500-4500重量份。
40.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤A1中,所述原料纳米碳材料与所述氧化剂在超声波存在下进行接触。
41.根据权利要求40所述的应用,其中,步骤A1中,所述超声波的频率为25-100kHz。
42.根据权利要求41所述的应用,其中,步骤A1中,所述超声波的频率为40-60kHz。
43.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤A1中,所述接触的持续时间为0.5-10小时。
44.根据权利要求43所述的应用,其中,步骤A1中,所述接触的持续时间为1-6小时。
45.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤A1中,所述接触在水中进行。
46.根据权利要求45所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,水的用量为500-10000重量份。
47.根据权利要求46所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,水的用量为1000-8000重量份。
48.根据权利要求47所述的应用,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,水的用量为4000-6000重量份。
49.根据权利要求45所述的应用,其中,所述方法还包括步骤A2,在步骤A2中,从步骤A1接触得到的混合物中分离出固体物质,并将固体物质进行干燥,从而得到所述经氧化处理的纳米碳材料。
50.根据权利要求49所述的应用,其中,步骤A2中,所述干燥在80-180℃的温度下进行,所述干燥的持续时间为0.5-24小时。
51.根据权利要求50所述的应用,其中,步骤A2中,所述干燥在100-140℃的温度下进行,所述干燥的持续时间为1-20小时。
52.根据权利要求51所述的应用,其中,步骤A2中,所述干燥的持续时间为8-16小时。
53.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤A1中,所述接触在10-50℃的温度下进行。
54.根据权利要求53所述的应用,其中,步骤A1中,所述接触在20-50℃的温度下进行。
55.根据权利要求54所述的应用,其中,步骤A1中,所述接触在40-50℃的温度下进行。
56.根据权利要求26所述的应用,其中,得到的经氧化处理的纳米碳材料中,过氧基团的浓度为4×10-6mol/g至20×10-6mol/g。
57.根据权利要求56所述的应用,其中,得到的经氧化处理的纳米碳材料中,过氧基团的浓度为5×10-6mol/g至10×10-6mol/g。
58.根据权利要求57所述的应用,其中,得到的经氧化处理的纳米碳材料中,过氧基团的浓度为6×10-6mol/g至8×10-6mol/g。
59.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤B1中,所述还原剂为氢气、一氧化碳、硫化氢、甲烷、四氢铝锂、硼氢化钠、三乙基铝、氢化钠、甲酸钠和乙二醇中的一种或两种以上。
60.根据权利要求59所述的应用,其中,步骤B1中,所述还原剂为四氢铝锂和/或甲酸钠。
61.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤B1中,所述还原剂的用量与所述经氧化处理的纳米碳材料中的氧的含量的摩尔比为0.1-10:1。
62.根据权利要求61所述的应用,其中,步骤B1中,所述还原剂的用量与所述经氧化处理的纳米碳材料中的氧的含量的摩尔比为0.1-4:1。
63.根据权利要求62所述的应用,其中,步骤B1中,所述还原剂的用量与所述经氧化处理的纳米碳材料中的氧的含量的摩尔比为1-3:1。
64.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤B1中,所述接触在10-100℃的温度下进行。
65.根据权利要求64所述的应用,其中,步骤B1中,所述接触在40-80℃的温度下进行。
66.根据权利要求65所述的应用,其中,步骤B1中,所述接触在50-70℃的温度下进行。
67.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤B1中,所述接触的持续时间为2-24小时。
68.根据权利要求67所述的应用,其中,步骤B1中,所述接触的持续时间为8-16小时。
69.根据权利要求68所述的应用,其中,步骤B1中,所述接触的持续时间为5-12小时。
70.根据权利要求26所述的应用,其中,步骤B1中,所述接触在至少一种液体分散介质存在下进行,所述方法还包括步骤B2,在步骤B2中,从步骤B1接触得到的混合物中分离出固体物质,并将分离出的固体物质进行干燥。
71.根据权利要求70所述的应用,其中,所述液体分散介质为醚型有机溶剂。
72.根据权利要求71所述的应用,其中,所述液体分散介质为氧杂环型有机溶剂。
73.根据权利要求72所述的应用,其中,所述液体分散介质为四氢呋喃。
74.根据权利要求70所述的应用,其中,步骤B2中,所述干燥在80-180℃的温度下进行,所述干燥的持续时间为0.5-24小时。
75.根据权利要求74所述的应用,其中,步骤B2中,所述干燥在100-140℃的温度下进行,所述干燥的持续时间为1-20小时。
76.根据权利要求75所述的应用,其中,步骤B2中,所述干燥的持续时间为6-16小时。
77.根据权利要求26所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述原料纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.1-0.8摩尔%,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.3-0.9:1。
78.根据权利要求77所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述原料纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.2-0.6摩尔%,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.55-0.85:1。
79.根据权利要求78所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述原料纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.3-0.5摩尔%。
80.根据权利要求26所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.1-2:1。
81.根据权利要求80所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.15-1:1。
82.根据权利要求81所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.2-0.6:1。
83.根据权利要求82所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.25-0.4:1。
84.根据权利要求26所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料为碳纳米管。
85.根据权利要求84所述的应用,其中,所述原料纳米碳材料为多壁碳纳米管。
86.根据权利要求85所述的应用,其中,所述多壁碳纳米管的比表面积为50-500m2/g。
87.根据权利要求86所述的应用,其中,所述多壁碳纳米管的比表面积为70-300m2/g。
2
88.根据权利要求87所述的应用,其中,所述多壁碳纳米管的比表面积为100-280m/g。
89.根据权利要求85所述的应用,其中,所述多壁碳纳米管在400-800℃的温度区间内的失重率为w800,在400-500℃的温度区间内的失重率为w500,w500/w800在0.01-0.3的范围内。
90.根据权利要求89所述的应用,其中,w500/w800在0.02-0.2的范围内。
91.根据权利要求90所述的应用,其中,w500/w800在0.05-0.15的范围内。
92.根据权利要求1所述的应用,其中,所述烃为烷烃。
93.根据权利要求92所述的应用,其中,所述烃为C2-C12的烷烃。
94.根据权利要求93所述的应用,其中,所述烃为正丁烷。
95.一种烃脱氢反应方法,所述方法包括在烃氧化脱氢反应条件下,将烃与含杂原子纳米碳材料接触,所述含杂原子纳米碳材料含有氧元素、氢元素和碳元素,以所述含杂原子纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为3-9重量%,所述氢元素的含量为
0.1-3重量%,所述碳元素的含量为88-96.9重量%;所述含杂原子纳米碳材料中过氧基团的浓度为0.1×10-6mol/g至3×10-6mol/g,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为大于2。
96.根据权利要求95所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料中过氧基团的浓度为
0.2×10-6mol/g至2.5×10-6mol/g。
97.根据权利要求96所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料中过氧基团的浓度为
0.3×10-6mol/g至1.2×10-6mol/g。
98.根据权利要求95-97中任意一项所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.1-3摩尔%。
99.根据权利要求98所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.3-2.8摩尔%。
100.根据权利要求99所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.4-2.7摩尔%。
101.根据权利要求100所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.5-2摩尔%。
102.根据权利要求95-97中任意一项所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为2-5:1。
103.根据权利要求102所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为2-4:1。
104.根据权利要求103所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为2-3.5:1。
105.根据权利要求95-97中任意一项所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.1-1:1。
106.根据权利要求105所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.2-0.8:1。
107.根据权利要求106所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.25-0.7:1。
108.根据权利要求95-97中任意一项所述的方法,其中,在所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于吸附水的谱峰确定的氧元素的含量为5摩尔%以下。
109.根据权利要求108所述的方法,其中,在所述含杂原子纳米碳材料的X射线光电子能谱图谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述含杂原子纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于吸附水的谱峰确定的氧元素的含量为0.1-3摩尔%。
110.根据权利要求95-97中任意一项所述的方法,其中,以所述含杂原子纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为4-9重量%,所述氢元素的含量为0.2-1.5重量%,所述碳元素的含量为89.5-95.8重量%。
111.根据权利要求110所述的方法,其中,以所述含杂原子纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为4-7重量%,所述氢元素的含量为0.3-0.9重量%,所述碳元素的含量为92.1-95.7重量%。
112.根据权利要求95-97中任意一项所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料为含杂原子碳纳米管。
113.根据权利要求112所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料为含杂原子多壁碳纳米管。
114.根据权利要求113所述的方法,其中,所述含杂原子多壁碳纳米管的比表面积为
50-500m2/g。
115.根据权利要求114所述的方法,其中,所述含杂原子多壁碳纳米管的比表面积为
70-300m2/g。
116.根据权利要求115所述的方法,其中,所述含杂原子多壁碳纳米管的比表面积为
120-285m2/g。
117.根据权利要求113所述的方法,其中,所述含杂原子多壁碳纳米管在400-800℃的温度区间内的失重率为w800,在400-500℃的温度区间内的失重率为w500,w500/w800在0.01-
0.3的范围内。
118.根据权利要求117所述的方法,其中,w500/w800在0.02-0.2的范围内。
119.根据权利要求118所述的方法,其中,w500/w800在0.1-0.15的范围内。
120.根据权利要求95所述的方法,其中,所述含杂原子纳米碳材料的制备方法包括:
步骤A1、将原料纳米碳材料与至少一种氧化剂接触,以得到经氧化处理的纳米碳材料;
步骤B1、在还原反应条件下,将经氧化处理的纳米碳材料与至少一种还原剂接触,所述原料纳米碳材料含有氧元素、氢元素和碳元素,以所述原料纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为0.1-1重量%,所述氢元素的含量为0.1-1重量%,所述碳元素的含量为98-99.8重量%,
所述原料纳米碳材料中,过氧基团的浓度为0.1×10-6mol/g以下;制备的含杂原子纳米碳材料中,过氧基团的浓度为0.1×10-6mol/g至3×10-6mol/g;
所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述原料纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.1-1:1。
121.根据权利要求120所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料含有氧元素、氢元素和碳元素,以所述原料纳米碳材料的总量为基准,以元素计,所述氧元素的含量为0.5-0.9重量%;所述氢元素的含量为0.3-0.6重量%;所述碳元素的含量为98.5-99.2重量%,制备的含杂原子纳米碳材料中,过氧基团的浓度为0.2×10-6mol/g至2.5×10-6mol/g。
122.根据权利要求121所述的方法,其中,制备的含杂原子纳米碳材料中,过氧基团的浓度为0.3×10-6mol/g至1.2×10-6mol/g。
123.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤A1中,所述氧化剂为选自HNO3、H2SO4、过氧化氢和式I所示的过氧化物中的一种或两种以上,
式I中,R1和R2各自选自H、C4-C12的直链或支链烷基、C6-C12的芳基、C7-C12的芳烷基以及且R1和R2不同时为H,R3为C4-C12的直链或支链烷基或者C6-C12的芳基。
124.根据权利要求123所述的方法,其中,所述氧化剂为HNO3和/或H2SO4。
125.根据权利要求124所述的方法,其中,所述氧化剂为HNO3和H2SO4。
126.根据权利要求125所述的方法,其中,所述氧化剂为HNO3和H2SO4,且HNO3和H2SO4摩尔比为1:3-10。
127.根据权利要求126所述的方法,其中,HNO3和H2SO4摩尔比为1:3.5-7.5。
128.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为500-50000重量份。
129.根据权利要求128所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为500-15000重量份。
130.根据权利要求129所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为550-10000重量份。
131.根据权利要求130所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为1000-6000重量份。
132.根据权利要求131所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为2000-5000重量份。
133.根据权利要求132所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,所述氧化剂的用量为3500-4500重量份。
134.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤A1中,所述原料纳米碳材料与所述氧化剂在超声波存在下进行接触。
135.根据权利要求134所述的方法,其中,步骤A1中,所述超声波的频率为25-100kHz。
136.根据权利要求135所述的方法,其中,步骤A1中,所述超声波的频率为40-60kHz。
137.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤A1中,所述接触的持续时间为0.5-10小时。
138.根据权利要求137所述的方法,其中,步骤A1中,所述接触的持续时间为1-6小时。
139.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤A1中,所述接触在水中进行。
140.根据权利要求139所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,水的用量为500-10000重量份。
141.根据权利要求140所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,水的用量为1000-8000重量份。
142.根据权利要求141所述的方法,其中,步骤A1中,相对于100重量份所述原料纳米碳材料,水的用量为4000-6000重量份。
143.根据权利要求139所述的方法,其中,所述方法还包括步骤A2,在步骤A2中,从步骤A1接触得到的混合物中分离出固体物质,并将固体物质进行干燥,从而得到所述经氧化处理的纳米碳材料。
144.根据权利要求143所述的方法,其中,步骤A2中,所述干燥在80-180℃的温度下进行,所述干燥的持续时间为0.5-24小时。
145.根据权利要求144所述的方法,其中,步骤A2中,所述干燥在100-140℃的温度下进行,所述干燥的持续时间为1-20小时。
146.根据权利要求145所述的方法,其中,步骤A2中,所述干燥的持续时间为8-16小时。
147.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤A1中,所述接触在10-50℃的温度下进行。
148.根据权利要求147所述的方法,其中,步骤A1中,所述接触在20-50℃的温度下进行。
149.根据权利要求148所述的方法,其中,步骤A1中,所述接触在40-50℃的温度下进行。
150.根据权利要求120所述的方法,其中,得到的经氧化处理的纳米碳材料中,过氧基团的浓度为4×10-6mol/g至20×10-6mol/g。
151.根据权利要求150所述的方法,其中,得到的经氧化处理的纳米碳材料中,过氧基团的浓度为5×10-6mol/g至10×10-6mol/g。
152.根据权利要求151所述的方法,其中,得到的经氧化处理的纳米碳材料中,过氧基团的浓度为6×10-6mol/g至8×10-6mol/g。
153.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤B1中,所述还原剂为氢气、一氧化碳、硫化氢、甲烷、四氢铝锂、硼氢化钠、三乙基铝、氢化钠、甲酸钠和乙二醇中的一种或两种以上。
154.根据权利要求153所述的方法,其中,步骤B1中,所述还原剂为四氢铝锂和/或甲酸钠。
155.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤B1中,所述还原剂的用量与所述经氧化处理的纳米碳材料中的氧的含量的摩尔比为0.1-10:1。
156.根据权利要求155所述的方法,其中,步骤B1中,所述还原剂的用量与所述经氧化处理的纳米碳材料中的氧的含量的摩尔比为0.1-4:1。
157.根据权利要求156所述的方法,其中,步骤B1中,所述还原剂的用量与所述经氧化处理的纳米碳材料中的氧的含量的摩尔比为1-3:1。
158.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤B1中,所述接触在10-100℃的温度下进行。
159.根据权利要求158所述的方法,其中,步骤B1中,所述接触在40-80℃的温度下进行。
160.根据权利要求159所述的方法,其中,步骤B1中,所述接触在50-70℃的温度下进行。
161.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤B1中,所述接触的持续时间为2-24小时。
162.根据权利要求161所述的方法,其中,步骤B1中,所述接触的持续时间为8-16小时。
163.根据权利要求162所述的方法,其中,步骤B1中,所述接触的持续时间为5-12小时。
164.根据权利要求120所述的方法,其中,步骤B1中,所述接触在至少一种液体分散介质存在下进行,所述方法还包括步骤B2,在步骤B2中,从步骤B1接触得到的混合物中分离出固体物质,并将分离出的固体物质进行干燥。
165.根据权利要求164所述的方法,其中,所述液体分散介质为醚型有机溶剂。
166.根据权利要求165所述的方法,其中,所述液体分散介质为氧杂环型有机溶剂。
167.根据权利要求166所述的方法,其中,所述液体分散介质为四氢呋喃。
168.根据权利要求164所述的方法,其中,步骤B2中,所述干燥在80-180℃的温度下进行,所述干燥的持续时间为0.5-24小时。
169.根据权利要求168所述的方法,其中,步骤B2中,所述干燥在100-140℃的温度下进行,所述干燥的持续时间为1-20小时。
170.根据权利要求169所述的方法,其中,步骤B2中,所述干燥的持续时间为6-16小时。
171.根据权利要求120所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述原料纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.1-0.8摩尔%,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.3-0.9:1。
172.根据权利要求171所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述原料纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.2-0.6摩尔%,由对应于C-O基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.55-0.85:1。
173.根据权利要求172所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,以由X射线光电子能谱确定的所述原料纳米碳材料表面元素的总量为基准,由对应于基团的谱峰确定的氧元素的含量为0.3-0.5摩尔%。
174.根据权利要求120所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.1-2:1。
175.根据权利要求174所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.15-1:1。
176.根据权利要求175所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.2-0.6:1。
177.根据权利要求176所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料的X射线光电子能谱中,由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量与由对应于 基团的谱峰确定的氧元素的含量的摩尔比值为0.25-0.4:1。
178.根据权利要求120所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料为碳纳米管。
179.根据权利要求178所述的方法,其中,所述原料纳米碳材料为多壁碳纳米管。
180.根据权利要求179所述的方法,其中,所述多壁碳纳米管的比表面积为50-500m2/g。
181.根据权利要求180所述的方法,其中,所述多壁碳纳米管的比表面积为70-300m2/g。
182.根据权利要求181所述的方法,其中,所述多壁碳纳米管的比表面积为100-280m2/g。
183.根据权利要求182所述的方法,其中,所述多壁碳纳米管在400-800℃的温度区间内的失重率为w800,在400-500℃的温度区间内的失重率为w500,w500/w800在0.01-0.3的范围内。
184.根据权利要求183所述的方法,其中,w500/w800在0.02-0.2的范围内。
185.根据权利要求184所述的方法,其中,w500/w800在0.05-0.15的范围内。
186.根据权利要求95所述的方法,其中,所述烃为烷烃。
187.根据权利要求186所述的方法,其中,所述烃为C2-C12的烷烃。
188.根据权利要求187所述的方法,其中,所述烃为正丁烷。
氢反应方法
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