[发明专利]一种钴酸镍空心球/氮化碳量子点复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钴酸镍空心球/氮化碳量子点复合材料及其制备方法和应用。所述复合材料由摩尔质量比为1mmol:0.4~1.2g的钴酸镍NiCo₂O₄空心球和碳化氮g‑C₃N₄量子点制成，所述g‑C₃N₄量子点沉积在所述NiCo₂O₄空心球上。本发明提供的复合材料中，氮化碳量子点为小尺寸的纳米结构，材料利用率高；钴酸镍空心球具备存储电解液的功能；钴酸镍空心球和氮化碳量子点形成面‑点结构分布，电子/离子导电较高，电化学催化性能优异，可广泛应用于电化学催化领域。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种钴酸镍空心球/氮化碳量子点复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，钴酸镍（NiCo₂O₄）被证明是一种可以应用于电解水制氢、氧气还原、甲醇氧化的新型高效电催化材料。NiCo₂O₄是Ni原子取代Co₃O₄中的Co原子而得到的一种复合双金属氧化物，其具有与主体Co₃O₄相同的尖晶石结构，由于具有比纯Co₃O₄和NiO高出两个数量级的电导率，所以具有更好的电子传导能力和较高的电化学活性。特别通过各种可控技术制备的NiCo₂O₄纳米结构表现出较高的催化活性，较低的过电位，更高的稳定性。其中，NiCo₂O₄空心球纳米结构具有较大的比表面积、丰富的活性位点、较高的离子内部运输效率及良好的几何结构稳定性，因此在电化学领域备受关注。

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种具有类石墨结构的稳定化合物，具有价格低廉、热稳定性和化学稳定性好、光电化学性能优异等优点，目前已经在许多方面得到了应用。例如，在光催化领域，g-C₃N₄主要应用于光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物、光催化有机合成等。此外，在电化学化领域，g-C₃N₄还可以应用于电催化以及电化学能量存储等。已有研究证明，作为新型电催化材料，由于其独特的含氮结构，g-C₃N₄在氧气还原反应中具有极高的催化活性。而且，因其有大量的孤对电子，g-C₃N₄对极性分子如水和甲醇良好的吸附性，也许该材料对水的电解、氧气的还原、甲醇的裂解会有相当程度的催化作用。然而，由于常规g-C₃N₄块体材料的比表面积不够大、电子导电能力极差等原因，在电催化实际应用中效果并不理想。因此，发展具有高比表面积和高电子导电能力的g-C₃N₄材料，是目前促进该新型催化材料在电化学领域应用的必由之路。

从材料科学角度看，开发“纳米结构”无疑是提升催化活力的一种较直接生效的途径。因为纳米结构能赋予材料更高的比表面积，提供更多的吸附位点和反应位点，从而有利于催化性能的提高。尽管各种各样的g-C₃N₄“纳米结构”目前已有较多的报道，但是国内外有关“g-C₃N₄量子点”方面的研究工作仍然是非常罕见。从催化科学角度，“复合结构”实为构建高性能催化剂的一种较广泛实用的策略。特别是将高比表面积的g-C₃N₄量子点负载于导电载体形成复合结构，例如g-C₃N₄量子点/石墨烯复合材料（CN201610451199.9），能够显著地提高g-C₃N₄材料电子导电能力和催化性能。然而，单纯的石墨烯材料其本身往往没有的催化活性，在复合物中仅仅充当导电载体作用，这样的复合物其整体的催化性能有待进一步提高。