[发明专利]一种氮掺杂碳量子点嵌入NiFe-LDHs超薄纳米片组装体及制备方法

说明书

本发明提出了一种简单的一步离子热协同热分解法来合成由氮掺杂碳量子点嵌入的NiFe‑LDHs超薄纳米片组装体。以六水合氯化镍、六水合三氯化铁、尿素和少量水形成四元低共熔溶剂为唯一前驱体，其中，尿素不仅作为碱源，而且作为二齿配体，形成相对稳定的金属‑尿素低共熔溶剂，进而可以调控产物的形貌，还作为氮掺杂碳量子点的前驱体。该四元低共熔溶剂经一步离子热协同热分解反应，得到氮掺杂碳量子点嵌入NiFe‑LDHs超薄纳米片组装体。所制备的组装体用作电极材料，在碱性电解液中大电流下表现出了优异的OER性能。

技术领域

本发明属于能源与环境领域，具体涉及一种由氮掺杂碳量子点嵌入NiFe层状双金属氢氧化物超薄纳米片组装体及制备方法。

背景技术

化石燃料的快速枯竭及其燃烧所带来的环境问题促进可再生能源的研究与开发。在可再生能源的利用方法中，电化学水分解被认为是从可再生的、间歇的能源中获得清洁燃料的有前途的方法。但是，动力学迟缓的阳极析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)已成为水分解的瓶颈。加入适当的催化剂可以有效的降低OER的过电位，提高能量转换效率。目前，研究者已经开发具有低成本、高效率的电催化剂，用以替代稀缺、价格昂贵的贵金属基催化剂。

在各种有效的替代方案中，第一副族过渡金属(例如Fe,Co,Ni和Mn)的氧化物、层状双金属氢氧化物(LDHs)因其资源丰富和优异的OER性能引起研究者的广泛研究。通常，OER过程发生在催化剂表面，因此，研究者开发出多种方法来制备NiFe-LDHs纳米片以增加其电化学活性表面积，但得到的NiFe-LDHs纳米片仍存在导电性差，活性位点少，在大电流下难以表现出了优异的OER性能等缺点，从而限制了其大规模的工业推广应用。

为了克服这些缺点，人们又探索了许多有效的策略来改善NiFe-LDHs的催化性能，在常见的方法中，一是层状双金属氢氧化物的电催化活性与其片层的厚度密切相关，可以通过制备LDHs超薄纳米片，增加活性位点和活性边缘的数量、缩短电子传输距离。二是采用各种方法引入碳纳米材料来增加导电性。碳量子点(CQDs)是一类新型的纳米碳材料，其表面具有丰富的官能团，能够牢固地成核和锚定原始纳米晶体，实现强烈的静电相互作用，形成牢固的界面，碳量子点上吡啶结构的氮原子还可以有效降低过电位，但制备LDHs超薄纳米片以及氮掺杂碳量子点复合LDHs超薄纳米片的现有方法要么步骤繁琐复杂，要么能源消耗大，生产成本高。

基于上述原因，如何找到一种工艺相对简单、一步法制备具有高导电性的，OER性能优异的NiFe-LDHs超薄纳米片与氮掺杂碳量子点嵌入复合的电催化剂来满足工业应用需要，则是本发明所要解决的主要问题。

基于以上研究，本发明提出了一种简单的一步离子热协同热分解法来合成由氮掺杂碳量子点嵌入NiFe-LDHs超薄纳米片组装体。以六水合氯化镍、六水合三氯化铁、尿素和少量水形成四元低共熔溶剂为唯一前驱体，其中，尿素不仅作为碱源，而且作为二齿配体，通过M-O键形成相对稳定的金属-尿素低共熔溶剂，进而可以调控产物的形貌，还作为氮掺杂碳量子点的前驱体。该四元低共熔溶剂经一步离子热协同热分解反应，得到氮掺杂碳量子点嵌入NiFe-LDHs超薄纳米片组装体。所制备的组装体用作电极材料，在碱性电解液中大电流下表现出了优异的OER性能，为氮掺杂碳量子点复合LDHs超薄纳米片电极材料的制备提供了一条可行性方案。

发明内容

本发明针对现有制备NiFe-LDHs超薄纳米片与氮掺杂碳量子点复合电催化剂的制备过程繁琐复杂，能源消耗大，生产成本高，OER性能差，特别是在大电流下的OER性能差等缺点，提出了一种采用简单的一步离子热协同热解策略来合成氮掺杂碳量子点嵌入NiFe-LDH超薄纳米片组装体。本发明采用以下技术方案予以实现：

一种氮掺杂碳量子点嵌入NiFe-LDHs超薄纳米片组装体及制备方法，其特征在于，所述组装体是由氮掺杂碳量子点嵌入的NiFe层状双金属氢氧化物超薄纳米片自组装而成的，所述制备方法是采用离子热协同热分解法，具体包括下述步骤：