[发明专利]一种非晶氧化钴纳米片的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种非晶氧化钴纳米片的制备方法及应用，在纯水中通过脉冲激光烧蚀技术，将不规则的结晶氧化钴微粒制备成非晶氧化钴纳米片。该方法简易方便，在常温常压下即可进行，避免了通常制备非晶材料所需的苛刻的条件。同时，该方法利用制备过程中产生的等离子体羽辉内部压力，制备出氧化钴纳米片。本发明中的制备方法可以用来有效控制非晶纳米片状材料的制备。本发明所制备的非晶氧化钴纳米片在国际上首次被应用于光催化全解水，并且表现出优异的光催化全解水性能和显著的稳定性，有效地克服了晶体氧化钴纳米光催化剂的不稳定性问题，有效地延长光催化剂的寿命。

技术领域

本发明涉及非晶纳米材料的制备领域及应用于光催化全解水的新能源领域，尤其是指一种非晶氧化钴纳米片的制备方法及应用。

背景技术

光催化技术是一项将低密度太阳能转化为高密度化学能的新技术。在光催化全解水领域，分散于纯水中的光催化剂，能够在太阳光的驱动下，直接将水分子分解成为氢气和氧气。整个过程清洁无污染，所产生的氢气可作为一种高能燃料，所产生的氧气也可广泛应用于医学、化工等领域。氢能是一种清洁、可持续的二次能源，是21世纪以来备受关注一种新能源。

在光催化领域，科学家们普遍关注的是晶体材料。这是因为晶体有序的原子结构有利于电荷的传导。而非晶材料，作为无序化的一个极端，具备长程无序短程有序的特点，常常被认为其电子结构的带尾效应会束缚住电荷的移动，从而导致强烈的电荷复合。因此，目前为止，非晶材料作为一种主体光催化剂在光催化领域里，特别是在光催化全解水的研究中，是鲜有报道的。

在光催化全解水领域中，晶体氧化钴纳米颗粒已经被证实是一种高效的光催化剂。但是，它的稳定性非常差，导致其有效寿命非常短，通常小于1小时。这严重限制了它在实际生产生活中的应用。因此，寻找高效又稳定的氧化钴光催化剂是亟待解决的问题。而另一方面，非晶材料尽管在光催化领域中鲜有研究，但是在电化学领域中却是应用广泛，这得益于非晶材料独有的高稳定性和多活性位点的特性。基于此，我们认为，只要合理控制材料的形貌和结构，非晶氧化钴材料是有望实现高效而持续的光催化全解水的。

目前，非晶材料的制备方法中，通常条件苛刻，需要一个骤冷的过程。而液相脉冲激光烧蚀，是一种在常温常压下进行，却能够在脉冲间隙提供一个骤冷过程的技术，非常适合用于制备亚稳相，或者非晶相材料。在反应过程中，固液界面容易产生等离子体羽辉，受到液体的限制作用将在其内部产生一个极大的压力。而这个压力是有助于片状结构材料的产生的。目前，尚未发现使用液相脉冲激光烧蚀技术来制备非晶氧化钴纳米片的相关报道，更没有将其应用在光催化全解水领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种非晶氧化钴纳米片的制备方法及应用，该方法简易方便，在常温常压下即可进行，避免了通常制备非晶材料所需的苛刻的条件。该方法合理控制制备条件，利用激光烧蚀过程中等离子体羽辉内部所产生的压力来促使纳米片状结构的形成。在传统的认识中，非晶材料由于其无序的结构，被认为是电荷复合严重而不具备光催化活性的。本发明通过制备条件的设置，实现了非晶氧化钴材料的纳米片状化，缩短了电荷扩散路程，利用其表面电荷局域化实现电荷的有效分离，从而赋予了上述制备的非晶氧化钴纳米片优异的光催化全解水活性。本发明通过非晶化作用，解决了晶体氧化钴纳米光催化剂的不稳定性问题，本发明在实现高效的光催化全解水生成氢气和氧气的同时，极大地加强了上述制备的非晶氧化钴纳米片的稳定性，延长其寿命至120个小时以上。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种非晶氧化钴纳米片的制备方法，包括以下步骤：

1)将晶体氧化钴微粒粉末置于反应容器中，往其中注入纯水，搅拌使粉末均匀分散；

2)调节纳秒脉冲激光光路，将光束聚焦至反应容器中，使得固液界面产生等离子体羽辉，在等离子体羽辉内部产生一个压力，并利用此压力促进片状结构的产生；