[發(fā)明專利]一種非晶氧化鈷納米片的制備方法及應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108439488B
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊國偉;林昭勇;李偉佳
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: C01G51/04
• 分類號: C01G51/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 44245 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 馮炳輝<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發(fā)明公開了一種非晶氧化鈷納米片的制備方法及應(yīng)用，在純水中通過脈沖激光燒蝕技術(shù)，將不規(guī)則的結(jié)晶氧化鈷微粒制備成非晶氧化鈷納米片。該方法簡易方便，在常溫常壓下即可進行，避免了通常制備非晶材料所需的苛刻的條件。同時，該方法利用制備過程中產(chǎn)生的等離子體羽輝內(nèi)部壓力，制備出氧化鈷納米片。本發(fā)明中的制備方法可以用來有效控制非晶納米片狀材料的制備。本發(fā)明所制備的非晶氧化鈷納米片在國際上首次被應(yīng)用于光催化全解水，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化全解水性能和顯著的穩(wěn)定性，有效地克服了晶體氧化鈷納米光催化劑的不穩(wěn)定性問題，有效地延長光催化劑的壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及非晶納米材料的制備領(lǐng)域及應(yīng)用于光催化全解水的新能源領(lǐng)域，尤其是指一種非晶氧化鈷納米片的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

光催化技術(shù)是一項將低密度太陽能轉(zhuǎn)化為高密度化學(xué)能的新技術(shù)。在光催化全解水領(lǐng)域，分散于純水中的光催化劑，能夠在太陽光的驅(qū)動下，直接將水分子分解成為氫氣和氧氣。整個過程清潔無污染，所產(chǎn)生的氫氣可作為一種高能燃料，所產(chǎn)生的氧氣也可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化工等領(lǐng)域。氫能是一種清潔、可持續(xù)的二次能源，是21世紀以來備受關(guān)注一種新能源。

在光催化領(lǐng)域，科學(xué)家們普遍關(guān)注的是晶體材料。這是因為晶體有序的原子結(jié)構(gòu)有利于電荷的傳導(dǎo)。而非晶材料，作為無序化的一個極端，具備長程無序短程有序的特點，常常被認為其電子結(jié)構(gòu)的帶尾效應(yīng)會束縛住電荷的移動，從而導(dǎo)致強烈的電荷復(fù)合。因此，目前為止，非晶材料作為一種主體光催化劑在光催化領(lǐng)域里，特別是在光催化全解水的研究中，是鮮有報道的。

在光催化全解水領(lǐng)域中，晶體氧化鈷納米顆粒已經(jīng)被證實是一種高效的光催化劑。但是，它的穩(wěn)定性非常差，導(dǎo)致其有效壽命非常短，通常小于1小時。這嚴重限制了它在實際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。因此，尋找高效又穩(wěn)定的氧化鈷光催化劑是亟待解決的問題。而另一方面，非晶材料盡管在光催化領(lǐng)域中鮮有研究，但是在電化學(xué)領(lǐng)域中卻是應(yīng)用廣泛，這得益于非晶材料獨有的高穩(wěn)定性和多活性位點的特性。基于此，我們認為，只要合理控制材料的形貌和結(jié)構(gòu)，非晶氧化鈷材料是有望實現(xiàn)高效而持續(xù)的光催化全解水的。

目前，非晶材料的制備方法中，通常條件苛刻，需要一個驟冷的過程。而液相脈沖激光燒蝕，是一種在常溫常壓下進行，卻能夠在脈沖間隙提供一個驟冷過程的技術(shù)，非常適合用于制備亞穩(wěn)相，或者非晶相材料。在反應(yīng)過程中，固液界面容易產(chǎn)生等離子體羽輝，受到液體的限制作用將在其內(nèi)部產(chǎn)生一個極大的壓力。而這個壓力是有助于片狀結(jié)構(gòu)材料的產(chǎn)生的。目前，尚未發(fā)現(xiàn)使用液相脈沖激光燒蝕技術(shù)來制備非晶氧化鈷納米片的相關(guān)報道，更沒有將其應(yīng)用在光催化全解水領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提出了一種非晶氧化鈷納米片的制備方法及應(yīng)用，該方法簡易方便，在常溫常壓下即可進行，避免了通常制備非晶材料所需的苛刻的條件。該方法合理控制制備條件，利用激光燒蝕過程中等離子體羽輝內(nèi)部所產(chǎn)生的壓力來促使納米片狀結(jié)構(gòu)的形成。在傳統(tǒng)的認識中，非晶材料由于其無序的結(jié)構(gòu)，被認為是電荷復(fù)合嚴重而不具備光催化活性的。本發(fā)明通過制備條件的設(shè)置，實現(xiàn)了非晶氧化鈷材料的納米片狀化，縮短了電荷擴散路程，利用其表面電荷局域化實現(xiàn)電荷的有效分離，從而賦予了上述制備的非晶氧化鈷納米片優(yōu)異的光催化全解水活性。本發(fā)明通過非晶化作用，解決了晶體氧化鈷納米光催化劑的不穩(wěn)定性問題，本發(fā)明在實現(xiàn)高效的光催化全解水生成氫氣和氧氣的同時，極大地加強了上述制備的非晶氧化鈷納米片的穩(wěn)定性，延長其壽命至120個小時以上。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案如下：

一種非晶氧化鈷納米片的制備方法，包括以下步驟：

1)將晶體氧化鈷微粒粉末置于反應(yīng)容器中，往其中注入純水，攪拌使粉末均勻分散；

2)調(diào)節(jié)納秒脈沖激光光路，將光束聚焦至反應(yīng)容器中，使得固液界面產(chǎn)生等離子體羽輝，在等離子體羽輝內(nèi)部產(chǎn)生一個壓力，并利用此壓力促進片狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生；