CN104966842B - 一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂及其制备方法。该催化剂由多孔碳骨架和金属氢氧化物组成，金属氢氧化物颗粒均匀分布并限域在多孔碳的骨架孔内。其制备方法为在具有1～100nm孔结构的多孔碳骨架孔内限域生长出均匀分散的金属氢氧化物颗粒。本发明丰富了水氧化反应催化剂的种类，并提出一种高效普适的复合材料制备方法。该方法成本低廉，容易工业放大，有效推进了水氧化反应的研究和性能改进，促进了水氧化反应相关的新能源和储能器件的发展与工业化，为可持续发展提供了新的可行性。

Description

一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料及其制备技术领域，具体涉及一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂及其制备方法。
背景技术
随着能源和环境问题的日益突出，新能源和新的能源转化与储存技术越来越受到研究者的重视，而水氧化反应就是众多清洁能源体系中的关键反应之一。它是氢能源体系中水裂解的核心步骤(Turner J.A.,Science,2004,305(5686):972-974)，也与各种可再生能源器件，如太阳能电池，金属-空气电池和燃料电池等密切相关(Wang H.et al.,Energy&Environmental Science,2012,5(7):7931-7935)，同时还在污水处理中应用广泛(王树众等，专利公开号：104030427A)
其反应式如下：
2H2O→O2+4H++4e- (酸性)
4OH-→O2+2H2O+4e- (碱性)
然而，该过程受到缓慢的反应动力学和较高过电势等问题的影响，亟需一种性能突出的催化剂来推动其发展和商用化。目前，贵金属氧化物催化剂，如IrO2与RuO2被认为是活性最高的催化剂(Lee Y.et al.,The Journal of Physical Chemistry Letters,2012,3(3):399-404)，刘建辉等(刘建辉等，专利公开号：CN102188998A)提出了将钌催化剂用于水氧化。然而这些贵金属的实际应用受到储量稀少、价格昂贵和稳定性差等因素的制约。过渡金属氢氧化物及其衍生物(Ni，Co，Fe，Mn等)作为一类性能优越的替代材料在近年来引起了研究者的广泛关注，申延明等(申延明等，专利公开号：CN103611543A)提出了ZnFeCr水滑石用于光催化污水处理，并对此类催化剂在水氧化领域的应用寄予厚望。李国栋等(李国栋等，专利公开号：CN104404652A)提出了通过静电纺丝方法制备复合金属氢氧化物用于水氧化反应催化过程，也取得了不错的效果。近年来，越来越多的研究将包括碳纳米管(GongM.et al.,J.Am.Chem.Soc.,2013,135(23):8452-8455)，石墨烯(Chen S.et al.,Chem.Commun.,2014,50(2):207-209)以及碳量子点(Tang D.et al.,ACS AppliedMaterials&Interfaces,2014,6(10):7918-7925)在内的纳米碳材料作为一种活性组分或者是多功能的骨架结构引入到金属氢氧化物的催化体系，进一步提升了其催化性能。
如上所述的多孔碳材料可以提供一个很好的导电骨架，同时其连通的孔结构也促进了物质的传递与扩散，而金属氢氧化物具有很高的本征催化活性，两者的复合物被认为是最有前途的水氧化催化剂。然而，已有的研究和技术尽管做了一些尝试，但并没有实现对金属氢氧化物的高度调控和活性位的充分暴露，该催化体系的性能还有很大的挖掘空间。
发明内容
本发明的目的在于克服目前水氧化反应的催化剂瓶颈，提出一种新型的基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂及其制备方法，实现了多孔碳材料和活性位点的高效复合，丰富了水氧化反应催化剂的种类，有效促进了水氧化反应的研究及其在储能器件领域的实际应用与工业开发。
该催化剂由多孔碳骨架和金属氢氧化物组成，金属氢氧化物颗粒均匀分布并限域在多孔碳骨架的孔内。其制备方法以具有丰富1～100nm孔结构的多孔碳材料为骨架，在其孔内限域生长出均匀分散的金属氢氧化物颗粒。多孔碳材料提供了良好的导电骨架和物质传输通道，孔的限域作用实现了金属氢氧化物的单分散与活性位点的充分暴露，从而赋予了该复合材料优异的电催化水氧化反应的性能，超越了贵金属Ir催化剂。本发明丰富了水氧化反应催化剂的种类，并提出了一种有效的复合材料制备方法；该方法成本低廉，容易工业放大，有效推进了水氧化反应的研究和性能改进，促进了水氧化反应相关的新能源和储能器件的发展与工业化，为可持续发展提供了新的可行性。
本发明的技术方案如下：
一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂，所述多孔碳材料由多孔碳骨架和金属氢氧化物组成，金属氢氧化物颗粒均匀分布并限域在多孔碳骨架的孔结构内。
进一步地，所述多孔碳骨架具有1～100nm的孔结构，表面存在官能团和杂原子，杂原子与碳原子的原子比为(0～5)：1。
进一步地，所述杂原子为O，N，S，P中的一种或一种以上。
进一步地，所述金属氢氧化物的金属包括过渡金属元素，或Mg，Al中的一种或一种以上，所述金属氢氧化物的尺寸为1～100nm。
进一步地，所述过渡金属元素为Ni，Fe，Co，Mn，Zn，Cu或Cr。
进一步地，所述多孔碳骨架与所述金属氢氧化物的质量比为(1：20)～(2：1)。
上述基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)制备具有1～100nm孔结构并带有一定官能团和杂原子的多孔碳骨架；
2)将所得多孔碳骨架加入到金属盐和尿素的水溶液中，保持搅拌，于加热温度下进行反应，在多孔碳骨架的孔结构内限域生长出金属氢氧化物；对所得产物过滤、洗涤、干燥，获得基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂。
进一步地，步骤1)中所述的多孔碳骨架为活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳凝胶中的一种或一种以上。
进一步地，步骤2)中所述的金属盐为含过渡金属元素或Mg，Al中的一种或一种以上的盐酸盐、硝酸盐或硫酸盐，每种金属盐的离子浓度为0.001～0.5mol/L，尿素的浓度为1～10mol/L。
进一步地，步骤2)中所述反应的温度为60～200℃，反应时间为1～10h。
本发明的有益效果为：本发明可以实现多孔碳骨架和金属氢氧化物活性组分的高效复合，带来优异的水氧化反应催化性能；这种通过多孔骨架的空间限域效应实现活性组分受限生长的策略为复合材料的合成提供了新的思路，促进了高性能复合材料和催化剂的制备与研究；该方法工艺简单、成本低廉，适合工程放大和规模化制备，有助于推进水氧化反应相关的新能源和储能器件的发展与工业化，为可持续发展提供新的可行性。
附图说明
图1：多孔碳/金属氢氧化物复合水氧化反应催化剂，金属氢氧化物被限域在多孔碳骨架的孔内。
图2：多孔掺氮石墨烯/NiFe氢氧化物复合物的扫描电子显微镜照片。
图3：多孔掺氮石墨烯/NiFe氢氧化物复合物的透射电子显微镜照片。
图4：多孔掺氮石墨烯/NiFe氢氧化物复合物的高分辨透射电子显微镜照片。
图5：多孔掺氮石墨烯/NiFe氢氧化物复合物的X射线衍射图谱。
图6：多孔掺氮石墨烯/NiFe氢氧化物复合物的水氧化反应性能测试。
具体实施方式
本发明提供的一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂，由多孔碳骨架和金属氢氧化物组成，金属氢氧化物颗粒均匀分布并限域在多孔碳骨架的孔结构内。多孔碳骨架具有丰富的1～100nm的孔结构，表面存在一定的官能团和杂原子，杂原子(O，N，S，P中的一种或多种)与碳原子的原子比为(0～5)：1。金属氢氧化物的尺寸在1～100nm，均匀分布并限域在多孔碳骨架的孔内，其组成为过渡金属元素(Ni，Fe，Co，Mn，Zn，Cu，Cr)以及Mg，Al中的一种或一种以上组成的金属氢氧化物。多孔碳材料与金属氢氧化物的质量比为(1：20)～(2：1)。
上述基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂的制备方法包括如下步骤：
1)制备具有丰富的1～100nm的孔结构的带有一定官能团和杂原子的多孔碳骨架。
2)将所得多孔碳骨架加入到金属盐和尿素的水溶液中，保持搅拌，于加热温度下进行反应，在多孔碳骨架的孔内限域生长出金属氢氧化物。对所得产物过滤、洗涤、干燥，获得基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂。
步骤1)中所述的多孔碳材料为活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳凝胶中的一种或一种以上。步骤2)中所述的金属盐为过渡金属元素(Ni，Fe，Co，Mn，Zn，Cu，Cr)以及Mg，Al中的一种或一种以上的盐酸盐、硝酸盐或硫酸盐，每种金属盐的离子浓度为0.001～0.5mol/L，尿素的浓度为1～10mol/L。所述反应温度为60～200℃，反应时间为1～10h。
下面将通过几个具体的实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：多孔掺氮石墨烯/NiFe氢氧化物
以化学气相沉积所得的多孔掺氮石墨烯为模板，其孔分布为1～10nm，N：C原子比为1：10。取25mg该材料加入到50mL的Ni(NO3)2·6H2O(0.05mol/L)，Fe(NO3)3·9H2O(0.025mol/L)和尿素(4.5mol/L)水溶液，超声分散5min后装入250mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在100℃下反应6h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮石墨烯/NiFe氢氧化物，碳材料和NiFe氢氧化物的质量比为1：8，NiFe氢氧化物的尺寸为1～10nm。其结构如图1～5所示。图1显示了材料的结构特征，金属氢氧化物被限域在多孔碳骨架的孔结构内，在多孔石墨烯的孔内均匀分散着1～10nm的NiFe氢氧化物颗粒。图4显示金属氢氧化物纳米颗粒周围存在着少层的石墨烯碳层，说明被限域在石墨烯的孔内。图5为本例材料的X射线衍射图(XRD)，表明了其层状双羟基金属氢氧化物的结构。
将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，其结果如图6所示，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为347mV，比商业化的铱催化剂降低了72mV之多。说明该材料具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例2：多孔氧化石墨烯凝胶/CoFe氢氧化物
以水热合成的多孔氧化石墨烯凝胶为模板，其孔分布为50～100nm，O：C原子比为1：2。取50mg该材料加入到100mL的Co(NO3)3·6H2O(0.5mol/L)，Fe(NO3)3·9H2O(0.1mol/L)和尿素(5mol/L)水溶液，超声分散10min后装入250mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在60℃下反应4h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔氧化石墨烯凝胶/CoFe氢氧化物，碳材料和CoFe氢氧化物的质量比为2：7，CoFe氢氧化物的尺寸为50～100nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为353mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例3：多孔掺氮活性炭/CoMn氢氧化物
商业活性炭经过水热处理掺氮之后用作模板，其孔分布为1～5nm，N：C原子比为5：1，O：C原子比为1：50。取10mg该材料加入到200mL的CoCl2·6H2O(0.1mol/L)，Mn(NO3)2·4H2O(0.05mol/L)和尿素(1mol/L)水溶液，超声分散10min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在90℃下反应1h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮活性炭/CoMn氢氧化物，碳材料和CoMn氢氧化物的质量比为1：20，CoMn氢氧化物的尺寸为1～5nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1MKOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为280mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例4：弱氧化的单壁碳纳米管/FeCoMg氢氧化物
以弱氧化处理过的单壁碳纳米管为模板，其孔分布为2～10nm，O：C原子比为1：50。取100mg该材料加入到120mL的FeCl3·6H2O(0.5mol/L)，Co(NO3)2·6H2O(0.1mol/L)，MgSO4·7H2O(0.001mol/L)和尿素(1mol/L)水溶液，超声分散50min后装入200mL水热釜，在180℃下反应10h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得单壁碳纳米管/FeCoMg氢氧化物，碳材料和FeCoMg氢氧化物的质量比为2：1，FeCoMg氢氧化物的尺寸为2～10nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为265mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例5：多孔磺化石墨烯/CuZnAl氢氧化物
以水热合成的多孔磺化石墨烯为模板，其孔分布为10～50nm，S：C原子比为1：20，O：C原子比为1：40。取10mg该材料加入到200mL的Cu(NO3)2·3H2O(0.5mol/L)，ZnSO4·7H2O(0.1mol/L)，AlCl3·6H2O(0.02mol/L)，和尿素(10mol/L)水溶液，超声分散30min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在110℃下反应10h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔磺化石墨烯/CuZnAl氢氧化物，碳材料和CuZnAl氢氧化物的质量比为1：10，CuZnAl氢氧化物的尺寸为10～50nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为332mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例6：多孔掺氮碳纳米管石墨烯复合物/FeCrMg氢氧化物
以化学气相沉积法制备得到的掺氮碳纳米管石墨烯复合物为模板，其孔分布为2～10nm，N：C原子比为1：80，O：C原子比为1：200。取10mg该材料加入到120mL的FeCl3·6H2O(0.5mol/L)，Cr(NO3)3·9H2O(0.2mol/L)，MgCl2·6H2O(0.001mol/L)和尿素(3mol/L)水溶液，超声分散50min后装入200mL水热釜，在200℃下反应2h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮碳纳米管石墨烯复合物/FeCrMg氢氧化物，碳材料和FeCrMg氢氧化物的质量比为1：6，FeCrMg氢氧化物的尺寸为2～10nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为353mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例7：掺磷碳凝胶/NiCo氢氧化物
以水热法合成的掺磷碳凝胶为模板，其孔分布为30～60nm，P：C原子比为1：30，O：C原子比为1：120。取30mg该材料加入到250mL的NiCl2·6H2O(0.1mol/L)，Co(NO3)2·6H2O(0.08mol/L)和尿素(2mol/L)水溶液，超声分散20min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在95℃下反应7h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得掺磷碳凝胶/NiCo氢氧化物，碳材料和NiCo氢氧化物的质量比为2：1，NiCo氢氧化物的尺寸为30～60nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为315mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例8：双壁碳纳米管阵列/NiFeMg氢氧化物
以化学气相沉积法合成的双壁碳纳米管阵列为模板，其孔分布为2～10和70～100nm两段，O：C原子比为1：300。取50mg该材料加入到200mL的NiCl2·6H2O(0.5mol/L)，Fe(NO3)3·6H2O(0.1mol/L)，MgCl2·6H2O(0.01mol/L)，和尿素(10mol/L)水溶液，超声分散30min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在70℃下反应4h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得双壁碳纳米管阵列/NiFeMg氢氧化物，碳材料和NiFeMg氢氧化物的质量比为1：6，NiFeMg氢氧化物的尺寸为2～10和70～100nm两种分布。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为324mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例9：多孔石墨烯/Ni(OH)2
以化学气相沉积法合成的多孔石墨烯为模板，其孔分布为5～10nm，无杂原子。取30mg该材料加入到200mL的NiCl2·6H2O(0.5mol/L)和尿素(8mol/L)水溶液，超声分散30min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在90℃下反应4h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔石墨烯/Ni(OH)2，碳材料和Ni(OH)2的质量比为1：20，Ni(OH)2的尺寸为40～50nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为328mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例10：掺磷多孔石墨烯/CoFeAl氢氧化物
以水热釜合成的掺磷多孔石墨烯为模板，其孔分布为10～30nm，P：C原子比为1：10，O：C原子比为1：90。取20mg该材料加入到200mL的Co(NO3)2·6H2O(0.5mol/L)，Fe(NO3)3·6H2O(0.1mol/L)，AlCl3·6H2O(0.001mol/L)和尿素(8mol/L)水溶液，超声分散20min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在60℃下反应10h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得掺磷多孔石墨烯/CoFeAl氢氧化物，碳材料和CoFeAl氢氧化物的质量比为1：10，CoFeAl氢氧化物的尺寸为10～30nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为321mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例11：多孔掺硫活性炭/FeCrMg氢氧化物
商业活性炭经过水热处理掺硫之后用作模板，其孔分布为4～10nm，S：C原子比为2：1，O：C原子比为1：50。取30mg该材料加入到200mL的Fe(NO3)3·6H2O(0.1mol/L)，Cr2(SO4)3·6H2O(0.1mol/L)，Mg(NO3)2·6H2O(0.01mol/L)和尿素(1mol/L)水溶液，超声分散10min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在100℃下反应10h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮活性炭/FeCrMg氢氧化物，碳材料和FeCrMg氢氧化物的质量比为1：10，FeCrMg氢氧化物的尺寸为4～10nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为285mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例12：多孔掺氮活性炭石墨烯复合物/ZnCu氢氧化物
将商业活性炭和还原氧化石墨烯粉机械混合后，经过水热掺氮，以此作为模板，其孔分布为2～30nm，N：C原子比为1：20，O：C原子比为1：50。取10mg该材料加入到120mL的CuCl2·2H2O(0.5mol/L)，ZnSO4·7H2O(0.3mol/L和尿素(1mol/L)水溶液，超声分散50min后装入200mL水热釜，在150℃下反应10h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮活性炭石墨烯复合物/ZnCu氢氧化物，碳材料和ZnCu氢氧化物的质量比为1：10，ZnCu氢氧化物的尺寸为2～30nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1MKOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为301mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例13：掺氮碳凝胶/FeCoAl氢氧化物
以水热合成的掺氮碳凝胶为模板，其孔分布为20～80nm，N：C原子比为1：40。取30mg该材料加入到200mL的Fe(NO3)3·6H2O(0.1mol/L)，Co(NO3)2·6H2O(0.1mol/L)，AlCl3·6H2O(0.1mol/L)和尿素(8mol/L)水溶液，超声分散30min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在96℃下反应4h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得掺氮碳凝胶/FeCoAl氢氧化物，碳材料和FeCoAl氢氧化物的质量比为1：5，FeCoAl氢氧化物的尺寸为20～80nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为322mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
实施例14：单壁碳纳米管石墨烯复合物/Co(OH)2
以化学气相沉积法合成的单壁碳纳米管石墨烯复合物为模板，其孔分布为10～20nm，无杂原子。取25mg该材料加入到200mL的Co(NO3)2·6H2O(0.1mol/L)和尿素(5mol/L)水溶液，超声分散20min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在120℃下反应3h。所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得单壁碳纳米管石墨烯复合物/Co(OH)2，碳材料和Co(OH)2的质量比为1：12，Co(OH)2的尺寸为10～20nm。将其用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为284mV，具有优于贵金属铱催化剂的水氧化反应催化性能。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备具有1～100nm孔结构并带有官能团和杂原子的多孔碳骨架，杂原子与碳原子的原子比为(0～5)：1；所述杂原子为O，N，S，P中的一种或一种以上，多孔碳骨架为活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳凝胶中的一种或一种以上；
2)将所得多孔碳骨架加入到金属盐和尿素的水溶液中，保持搅拌，于加热温度下进行反应，在多孔碳骨架的孔结构内限域生长出金属氢氧化物；对所得产物过滤、洗涤、干燥，获得基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂；
所述金属氢氧化物的金属包括过渡金属元素，或Mg，Al中的一种或一种以上，过渡金属元素为Ni，Fe，Co，Mn，Zn，Cu或Cr；金属氢氧化物的尺寸为1～100nm；
所述多孔碳材料由多孔碳骨架和金属氢氧化物组成，多孔碳骨架与金属氢氧化物的质量比为(1：20)～(2：1)；金属氢氧化物颗粒均匀分布并限域在多孔碳骨架的孔结构内。
2.如权利要求1所述一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的金属盐为含过渡金属元素或Mg，Al中的一种或一种以上的盐酸盐、硝酸盐或硫酸盐，每种金属盐的离子浓度为0.001～0.5mol/L，尿素的浓度为1～10mol/L。
3.如权利要求1所述一种基于多孔碳材料的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为60～200℃，反应时间为1～10h。
4.掺氮碳凝胶/FeCoAl氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，以水热合成的掺氮碳凝胶为模板，其孔分布为20～80nm，N：C原子比为1：40；取30mg该材料加入到200mL含0.1mol/L Fe(NO3)3·6H2O，0.1mol/L Co(NO3)2·6H2O，0.1mol/L AlCl3·6H2O和8mol/L尿素水溶液，超声分散30min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在96℃下反应4h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得掺氮碳凝胶/FeCoAl氢氧化物，碳材料和FeCoAl氢氧化物的质量比为1：5，FeCoAl氢氧化物的尺寸为20～80nm；将制备得到的掺氮碳凝胶/FeCoAl氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1MKOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为322mV。
5.多孔掺氮活性炭/CoMn氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，商业活性炭经过水热处理掺氮之后用作模板，其孔分布为1～5nm，N：C原子比为5：1，O：C原子比为1：50；取10mg该材料加入到200mL含0.1mol/L CoCl2·6H2O，0.05mol/L Mn(NO3)2·4H2O和1mol/L尿素水溶液，超声分散10min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在90℃下反应1h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮活性炭/CoMn氢氧化物，碳材料和CoMn氢氧化物的质量比为1：20，CoMn氢氧化物的尺寸为1～5nm；将制得的多孔掺氮活性炭/CoMn氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为280mV。
6.弱氧化的单壁碳纳米管/FeCoMg氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，以弱氧化处理过的单壁碳纳米管为模板，其孔分布为2～10nm，O：C原子比为1：50；取100mg该材料加入到120mL含0.5mol/L FeCl3·6H2O，0.1mol/L Co(NO3)2·6H2O，0.001mol/LMgSO4·7H2O和1mol/L尿素水溶液，超声分散50min后装入200mL水热釜，在180℃下反应10h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得单壁碳纳米管/FeCoMg氢氧化物，碳材料和FeCoMg氢氧化物的质量比为2：1，FeCoMg氢氧化物的尺寸为2～10nm；将制得的单壁碳纳米管/FeCoMg氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为265mV。
7.多孔磺化石墨烯/CuZnAl氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，以水热合成的多孔磺化石墨烯为模板，其孔分布为10～50nm，S：C原子比为1：20，O：C原子比为1：40；取10mg该材料加入到200mL含0.5mol/L Cu(NO3)2·3H2O，0.1mol/L ZnSO4·7H2O，0.02mol/L AlCl3·6H2O和10mol/L尿素水溶液，超声分散30min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在110℃下反应10h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔磺化石墨烯/CuZnAl氢氧化物，碳材料和CuZnAl氢氧化物的质量比为1：10，CuZnAl氢氧化物的尺寸为10～50nm；将制得的多孔磺化石墨烯/CuZnAl氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为332mV。
8.多孔掺氮碳纳米管石墨烯复合物/FeCrMg氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，以化学气相沉积法制备得到的掺氮碳纳米管石墨烯复合物为模板，其孔分布为2～10nm，N：C原子比为1：80，O：C原子比为1：200；取10mg该材料加入到120mL含0.5mol/L FeCl3·6H2O，0.2mol/L Cr(NO3)3·9H2O，0.001mol/L MgCl2·6H2O和3mol/L尿素水溶液，超声分散50min后装入200mL水热釜，在200℃下反应2h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮碳纳米管石墨烯复合物/FeCrMg氢氧化物，碳材料和FeCrMg氢氧化物的质量比为1：6，FeCrMg氢氧化物的尺寸为2～10nm；将制得的多孔掺氮碳纳米管石墨烯复合物/FeCrMg氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为353mV。
9.双壁碳纳米管阵列/NiFeMg氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，以化学气相沉积法合成的双壁碳纳米管阵列为模板，其孔分布为2～10和70～100nm两段，O：C原子比为1：300；取50mg该材料加入到200mL含0.5mol/L NiCl2·6H2O，0.1mol/L Fe(NO3)3·6H2O，0.01mol/L MgCl2·6H2O，和10mol/L尿素水溶液，超声分散30min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在70℃下反应4h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得双壁碳纳米管阵列/NiFeMg氢氧化物，碳材料和NiFeMg氢氧化物的质量比为1：6，NiFeMg氢氧化物的尺寸为2～10和70～100nm两种分布；将制得的双壁碳纳米管阵列/NiFeMg氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为324mV。
10.掺磷多孔石墨烯/CoFeAl氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，以水热釜合成的掺磷多孔石墨烯为模板，其孔分布为10～30nm，P：C原子比为1：10，O：C原子比为1：90；取20mg该材料加入到200mL含0.5mol/L Co(NO3)2·6H2O，0.1mol/L Fe(NO3)3·6H2O，0.001mol/L AlCl3·6H2O和8mol/L尿素水溶液，超声分散20min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在60℃下反应10h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得掺磷多孔石墨烯/CoFeAl氢氧化物，碳材料和CoFeAl氢氧化物的质量比为1：10，CoFeAl氢氧化物的尺寸为10～30nm；将获得的掺磷多孔石墨烯/CoFeAl氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在0.1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为321mV。
11.多孔掺硫活性炭/FeCrMg氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，商业活性炭经过水热处理掺硫之后用作模板，其孔分布为4～10nm，S：C原子比为2：1，O：C原子比为1：50；取30mg该材料加入到200mL含0.1mol/L Fe(NO3)3·6H2O，0.1mol/L Cr2(SO4)3·6H2O，0.01mol/L Mg(NO3)2·6H2O和1mol/L尿素水溶液，超声分散10min后装入500mL烧瓶，置于油浴锅，保持搅拌，在100℃下反应10h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮活性炭/FeCrMg氢氧化物，碳材料和FeCrMg氢氧化物的质量比为1：10，FeCrMg氢氧化物的尺寸为4～10nm；将获得的多孔掺氮活性炭/FeCrMg氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为285mV。
12.多孔掺氮活性炭石墨烯复合物/ZnCu氢氧化物的水氧化反应催化剂的制备方法，其特征在于，将商业活性炭和还原氧化石墨烯粉机械混合后，经过水热掺氮，以此作为模板，其孔分布为2～30nm，N：C原子比为1：20，O：C原子比为1：50；取10mg该材料加入到120mL含0.5mol/L CuCl2·2H2O，0.3mol/L ZnSO4·7H2O和1mol/L尿素水溶液，超声分散50min后装入200mL水热釜，在150℃下反应10h；所得产物经过滤、洗涤、干燥，获得多孔掺氮活性炭石墨烯复合物/ZnCu氢氧化物，碳材料和ZnCu氢氧化物的质量比为1：10，ZnCu氢氧化物的尺寸为2～30nm；将获得的多孔掺氮活性炭石墨烯复合物/ZnCu氢氧化物用作水氧化反应的电催化剂，在三电极电化学工作站进行测试，在1M KOH的碱性环境下，电流密度达到10mA/cm2时的过电势为301mV。
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