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CN115505957B - 一种电催化合成过氧化氢的镍氮掺杂碳材料及其制备方法 - Google Patents

一种电催化合成过氧化氢的镍氮掺杂碳材料及其制备方法 Download PDF

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CN115505957B CN202211178693.4A CN202211178693A CN115505957B CN 115505957 B CN115505957 B CN 115505957B CN 202211178693 A CN202211178693 A CN 202211178693A CN 115505957 B CN115505957 B CN 115505957B
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Abstract

本发明为一种电催化合成过氧化氢的镍氮掺杂碳材料及其制备方法。该方法包括以下步骤：以炭黑为原材料，先经过浓酸氧化炭黑，赋予炭黑一定的含氧官能团；再进行水热化合，利用特定的有机配体，在氧化炭黑上合成特定配位结构的金属中心镍‑有机配位化合物；最后通过低温碳化，以制备得到特定键合的镍氮共掺杂的改性碳黑。该合成方法全过程并不需要多步高温处理，也不涉及繁琐的后续处理步骤，大大简化了工艺路线，降低了成本且具有极强的普适性；制备的非贵金属碳基材料表现出高效的过氧化氢选择性，以及有效克服了均相催化剂的缺点；同时，为设计具有定制结构的材料提供了新思路，表现出巨大的潜在的实用价值。

Description

一种电催化合成过氧化氢的镍氮掺杂碳材料及其制备方法
技术领域
本发明为一种电催化合成过氧化氢的镍氮掺杂碳材料及其制备方法，属于催化材料合成技术领域。
背景技术
过氧化氢作为一种生活中常见且重要的工业化学品之一，被广泛用作氧化剂和漂白剂，还有其他各种各样的用途。目前，全球每年生产超过220万吨H2O2，主要采用蒽醌氧化法间接生产，这是一种能源密集型工艺，涉及到氢化、氧化、净化和萃取四个复杂的耗能过程，将不可避免的产生大量的有机废料；同时，过氧化氢是在碱性溶液中生成的，其在碱性溶液中很容易分解成水，因此不方便长途运输。因此限制了H2O2作为可持续和低成本绿色氧化剂的潜力和发展。此外，人们研究了通过热催化H2和O2直接合成H2O2作为替代路线，希望解决蒽醌氧化方法的缺点。然而，这种热催化途径的成本同样高昂，并且存在潜在的危险-H2/O2混合物的潜在爆炸性和催化过程中H2O2的不稳定性，使这一过程极不安全且效率低下。
因此，为了解决或规避这些方法所带来的的缺点和限制，以探究出一种高效且简便的合成方法来大规模制备过氧化氢。近来，科学家们付出了巨大的努力。氧电化学策略被认为是一种具有潜在发展潜力的以生产H2O2的替代方法。该方法在可再生电能的环境中，经由氧化还原反应(ORR)具有选择性的生成H2O2。该方法直接经由两电子途径直接生成过氧化氢。相比，电化学法合成过氧化氢具有以下优点：(1)室温常压下反应条件温和；(2)可再生电力作为不消耗化石燃料的能源；以及(3)从水和空气开始的绿色先驱。虽然氧电催化策略更环保、更经济，但目前该方法仍存在一些局限性。为了能高效的利用两电子氧还原反应(ORR)合成H2O2，往往需要一种高活性低成本的电催化剂，能选择性地将O2还原为H2O2而不是H2O。为此开发了许多2e-ORR催化剂，如贵金属、金属合金和碳基材料等。然而，对于前期研究中具有高催化活性的往往是一些贵金属材料，如：Au-Pt-Ni合金、Pt/硫掺杂碳和Au-Pd纳米合金等。虽然电催化过程过电位小，H2O2选择性高；但是，贵金属的大规模应用更受其高昂的成本和稀缺性的制约。虽然碳基材料具有成本低、导电性好、稳定性好等优点，被认为是一种很有前途的电催化材料。然而，大多数碳基材料主要运用于四电子过程。比如，碳负载金属单原子催化剂(SAC)最近成为ORR催化剂开发的一个热门新途径，以MN4活性中心(如Fe-N4、Ni-N4和Co-N4位点)的金属单原子碳基材料往往具有优异的四电子性能，即可以高效的催化还原氧为水。因此急需开发有利于过氧化氢生成的选择催化两电子过程的碳基催化剂。
得益于MN4结构的四电子过程启发，研究发现均相催化中，某些金属-席夫碱催化剂可以选择性地将O2还原为H2O2。事实上，许多均相金属席夫碱电催化剂在低过电位下提供良好的H2O2选择性。此类金属席夫碱催化剂通常包含由两个O原子和两个N原子(即四齿M-N2O2配位)配位的金属中心。然而，这些均相催化剂通常需要有机反应介质来适应间歇式(如H电池)电解系统的质量传输限制。此外，由于O2在大多数电解质中的溶解度较低，很难获得高的H2O2生成速率，而回收均相催化剂的困难是进一步的限制。同时值得注意的是，过氧化氢歧化反应(PDR)，即2HO2 -→2OH-+O2，尤其是在过渡金属的存在下有利地发生，这很可能导致H2O2生产效率的急剧降低。因此，通过合理的材料设计和可控的合成，人们提出了各种策略，包括过渡金属的碳层涂层保护和表面工程来解决这个问题。然而，由于ORR的竞争性4e-途径，H2O2生成的选择性(通常小于50％)仍然不令人满意。与贵金属相比，以过渡金属为基础的催化剂，如钴和铁试剂，也被研究作为生产过氧化氢反应的低成本催化剂候选者。然而，过渡金属通常对过氧化氢的生产表现出较差的选择性，并且易受长期操作的影响。
氧电催化实质在于反应位点与O物种之间的适当结合强度。反应位点和O物种之间的强相互作用很容易使O2分子离解并将选择性导向H2O，而太弱的相互作用可能会产生很高的反应势垒以克服。因此，需要对此进行研究，寻求一种适合的强度来较好的实现氧电催化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种电催化合成过氧化氢的镍氮共掺杂碳材料及其制备方法。在该方法中，以商用炭黑为碳基质，选择具有特殊结构的2,5-吡啶羧酸作为有机配体，在水热环境下合成具有特定配位结构的金属中心镍-有机配体化合物；再以简单的一步低温碳化步骤，制备出就有高度均匀分散的有特定键合的镍氮共掺杂的改性碳基材料。该合成方法全过程并不需要多步高温处理，也不涉及繁琐的后续处理步骤，大大简化了工艺路线，降低了成本且具有极强的普适性；制备的非贵金属碳基材料表现出高效的过氧化氢选择性，以及有效克服了均相催化剂的缺点；同时，为设计具有定制结构的材料提供了新思路，表现出巨大的潜在的实用价值。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种电催化合成过氧化氢的镍氮共掺杂碳材料，该材料以商用炭黑为原材料，先经过浓酸氧化炭黑，赋予炭黑一定的含氧官能团；再加入特定的有机配体和六水硝酸镍进行水热反应，利用在氧化炭黑上合成特定配位结构的金属中心镍-有机配位化合物；最后通过低温碳化，制备得到特定键合的镍氮共掺杂碳材料。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述的浓酸为浓硫酸、浓硝酸或其混合物，浓酸的浓度为3-8mol L-1，炭黑的质量g与浓酸溶液的体积ml的比例关系为1:10～100；所述的特定有机配体为2,5-吡啶羧酸。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述水热反应的条件为：150℃～220℃下水热反应6～12h；低温碳化的温度为280～400℃，时间为1～3h。
一种电催化合成过氧化氢的镍氮共掺杂碳材料的方法，该方法包括以下具体步骤：
1)氧化炭黑的制备将原料炭黑分散于浓酸溶液中；然后转移至水热反应釜中进行水热反应；待反应釜冷却至室温，通过离心收集黑色沉淀，并在60～100℃下真空干燥过夜，得到氧化炭黑；
作为本申请中一种较好的实施方式，步骤1)中水热反应的条件为：100℃～150℃下水热反应12～24h。优选将离心收集的黑色沉淀在80℃下真空干燥过夜。
2)水热前驱产物的制备称取步骤1)制备的氧化炭黑于反应釜中，并加入去离子水进行超声分散；然后将2,5-吡啶羧酸加入反应釜中并进行搅拌0.5～2h；再将一定量的六水硝酸镍加入反应釜中并搅拌30±5min；最后在150℃～220℃的温度条件下恒温水热6-12h后将反应釜冷却；待反应釜冷却至室温，通过离心收集产物，得到Ni-PDCH@OCB水热前驱产物；
作为本申请中一种较好的实施方式，步骤2)中，氧化炭黑的质量g与去离子水的体积ml的比例关系为1：50～100；超声分散条件为，100～800Hz，时间1～3h；氧化炭黑、2,5-吡啶羧酸与六水硝酸镍的质量比为0.03～0.1：0.11～0.33：0.015～0.15。
3)一步低温碳化处理将步骤2)得到的水热前驱产物置于玛瑙研钵中物理研磨均匀，并盛放于陶瓷坩埚中，在氮气保护下，于管式炉中，按1～5℃min-1的升温速率升温，于280～400℃恒温1～3h后进行自然冷却，待管式炉自然冷却至室温，取出碳化产物，进而分别得到Ni-PDCH@OCB。
作为本申请中一种较好的实施方式，利用以上方法得到的镍氮共掺杂碳材料制备电极，包括以下步骤：
对于RRDE工作电极，称取一定量的镍氮共掺杂碳材料分散在含有水、乙醇和Nafion溶液的PVC管中，超声后得到均匀的分散液，将分散液均匀滴涂在RRDE上，待自然干燥成膜，即得电极；该电极用于定性分析催化合成过氧化氢性能；镍氮共掺杂碳材料、水、乙醇和Nafion溶液的质量比为1:175:75:10，超声频率为100～800Hz，超声时间为2～3h；自然干燥时间为6-10h；
优选为：对于RRDE工作电极，称取2mg所得的材料分散在含有350ul水、150ul乙醇和20ulNafion溶液的PVC管中，超声2h后得到均匀的分散液，量取10ul的分散液滴涂在RRDE上，待自然干燥成膜，即得；得到的电极用于定性分析催化合成过氧化氢性能。
或称取一定量的镍氮共掺杂碳材料分散在含有水、乙醇和Nafion溶液的PVC管中，超声后得到均匀的分散液，多次少量且全部滴涂分散液在1×1cm-2的碳纸上，待自然干燥成膜，即得电极；该电极用于定量分析催化合成过氧化氢性能；镍氮共掺杂碳材料、水、乙醇和Nafion溶液的质量比为1:175:75:10；超声频率为100～800Hz，超声时间为2～3h，自然干燥时间为6-10h。
优选为：称取1mg所得的材料分散在含有175ul水、75ul乙醇和10ul Nafion溶液的PVC管中，超声2h后得到均匀的分散液。多次少量且全部滴涂分散液在1×1cm-2的碳纸上，待自然干燥成膜，即得；得到的电极用于定量分析催化合成过氧化氢性能。
作为本申请中一种较好的实施方式，利用以上方法制备得到的电极进行电化学性能测试的方法，包括以下步骤：
S1:定性分析催化合成过氧化氢性能电化学性能测试均在AUTOLAB电化学工作站上进行，测试系统为标准的三电极体系，其中电化学测试过程以滴涂活性物质分散液的RRDE电极为工作电极，以铂丝为对电极，以饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，0.1mol L-1KOH溶液为电解液。
S2:定量分析催化合成过氧化氢性能电化学性能测试均在AUTOLAB电化学工作站上进行，测试系统为标准的三电极体系，其中电化学测试过程以滴涂活性物质分散液的碳纸为工作电极，以铂丝为对电极，以饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，0.1mol L-1KOH溶液为电解液；并且采用H-型电池测试模型进行过氧化氢定量测试。
作为本申请中一种较好的实施方式，采用以上方法得到的镍氮共掺杂碳材料，该材料为纳米级的碳球，且表现出良好的石墨化晶格条纹，无明显金属元素特征峰，具有较大的盘电流和环电流密度，过氧化氢生成产率可达95％；具有高电流密度、高过氧化氢生成产率的双重优势，具有优异的使用寿命。
在H-型电池模型中进行三电极测试，在长达8h的电催化合成过程中，过氧化氢生产量保持一个大的线性增长趋势；且在8h后，过氧化氢生成量可达31.2mmol L-1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(一)本发明提出了一种利用特殊的有机配体进行配位而合成具有特定配位结构的金属中心镍-有机配体化合物的高效且简单方法；同时在一步低温碳化制备具有特定键合的镍氮共掺杂的改性碳材料。
(二)该方法全过程并不需要多步高温处理，也不涉及繁琐的后续处理步骤，大大简化了工艺路线，降低了成本且具有极强的普适性；同时，为设计具有定制结构的材料提供了新思路，表现出巨大的潜在的实用价值。
附图说明
图1为本发明中产品Ni-PDCH@OCB的制备工艺流程图
图2为实施例1中制备得到的Ni-PDCH@OCB的透射电镜图(TEM图)
图3为实施例1中制备得到的Ni-PDCH@OCB的高倍透射电镜图(HRTEM图)和球差电镜图片(AC-TEM)
图4为实施例1中制备得到的Ni-PDCH@OCB和Ni-PDCH的X-射线衍射图谱(XRD图)
图5为实施例1中制备得到的Ni-PDCH@OCB的X射线光电子能谱(XPS图)
图6为实施例1中制备得到的Ni-PDCH@OCB、Ni-PDCH、PDCH@OCB、CB、OCB的电化学LSV性能图
图7为实施例1中制备得到的Ni-PDCH@OCB、Ni-PDCH、PDCH@OCB、CB、OCB的电子转移数和过氧化氢产率曲线
图8为实施例1中制备得到的Ni-PDCH@OCB电催化制备过氧化氢的稳定性性能测试曲线
图9为实施例1中制备得到的Ni-PDCH@OCB定量制备过氧化氢的产率测试曲线
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：(Ni-PDCH@OCB)材料
(1)氧化炭黑(OCB)的制备将1.5g的原料商用炭黑(CB)分散于100ml7mol L-1的硝酸溶液中；然后转移至水热反应釜中，并在100℃下水热24h；待反应釜冷却至室温，通过离心收集黑色沉淀，并在80℃下真空干燥过夜，得到氧化炭黑(OCB)。
(2)不同反应对照实验水热前驱产物的制备首先，称取60mg的氧化炭黑(OCB)于10ml水热反应釜中，并加5ml去离子水，并超声分散1h；然后将0.11g 2，5-吡啶羧酸加入反应釜中并搅拌1h；再将0.02g六水硝酸镍加入反应釜中并搅拌30min；最后，在180℃下恒温水热反应6h。待反应釜冷却至室温，通过离心收集产物，水洗3次。最后于真空烘箱中80℃下干燥过夜，从而制备得到Ni-PDCH@OCB的水热前驱体产物
(3)一步低温碳化处理将Ni-PDCH@OCB的水热前驱体产物于玛瑙研钵中研磨均匀；然后将研磨后的材料盛放于陶瓷坩埚，并在管式炉中，在氮气保护下，以2.5℃min-1的升温速率，升温至300℃且恒温1h。待管式炉自然冷却至室温，取出碳化产物，进而得到产品记为Ni-PDCH@OCB-1。
利用制备得到的Ni-PDCH@OCB-1进行电极制备
a:定性分析催化合成过氧化氢性能的工作电极制备对于RRDE工作电极，称取2mg所得的材料分散在含有350ul水、150ul乙醇和20ulNafion溶液的PVC管中，超声2h后得到均匀的分散液。量取10ul的分散液滴涂在RRDE上，待自然干燥成膜。
b:定量分析催化合成过氧化氢性能的工作电极制备称取1mg所得的材料分散在含有175uL水、75uL乙醇和10uL Nafion溶液的PVC管中，超声2h后得到均匀的分散液。多次少量且全部滴涂分散液在1×1cm-2的碳纸上，待自然干燥成膜。
电化学性能测试
a:定性分析催化合成过氧化氢性能电化学性能测试均在AUTOLAB电化学工作站上进行，测试系统为标准的三电极体系，其中电化学测试过程以滴涂活性物质分散液的RRDE电极为工作电极，以铂丝为对电极，以饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，0.1mol L-1KOH溶液为电解液。
b:定量分析催化合成过氧化氢性能电化学性能测试均在AUTOLAB电化学工作站上进行，测试系统为标准的三电极体系，其中电化学测试过程以滴涂活性物质分散液的碳纸为工作电极，以铂丝为对电极，以饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，0.1mol L-1KOH溶液为电解液；并且采用H-型电池测试模型进行过氧化氢定量测试。
产物检测结果将实施例1得到的Ni-PDCH@OCB的TEM和HRTEM如图2和3所示，结果显示其为纳米级的碳球，且表现出良好的石墨化晶格条纹(晶格间距d≈0.36nm，代表石墨的002晶面)，且未看到明显的金属颗粒，表明镍高度均匀分散于材料中；由图4所示XRD图，表明Ni-PDCH@OCB和Ni-PDCH均表现出碳材料的特征，无明显金属元素特征峰，这一表明金属镍的高分散性。图5的XPS图表明材料中镍、氮元素的成功掺杂。图6和图7表明Ni-PDCH@OCB具有较大的盘电流和环电流密度，同时近乎理想的2电子转移途径和近乎完美的过氧化氢生成产率(平均产率可达：95％)，其在电位为0.6V(vs.RHE)条件下产率可以达99.5％，电子转移数目为理想的2电子(如表1所示)；同时相较于其它对照实验Ni-PDCH@OCB具有高电流密度、高过氧化氢生成产率的双重优势。除此之外，令人影响深刻的时，即使在0.5V(相对于标准氢电极)下，长时间进行过氧化氢催化合成，其电流密度和过氧化氢生成产率近乎保持不变，表明该材料具有优异的使用寿命。同时，为了定量测定Ni-PDCH@OCB材料催化合成过氧化氢，通过在H-型电池模型中进行三电极测试。结果如图9所示，在长达8h的电催化合成过程中，过氧化氢生产量近乎保持一个大的线性增长趋势；且在8h后，过氧化氢生成量可以达到31.2mmol L-1。
实施例2：扩大金属、配体为2倍浓度，产品记为Ni-PDCH@OCB-2
(1)氧化炭黑(OCB)的制备将1.5g的原始炭黑(CB)分散于100ml 7mol L-1的硝酸溶液中；然后转移至水热反应釜中，并在100℃下水热24h；待反应釜冷却至室温，通过离心收集黑色沉淀，并在80℃下真空干燥过夜，得到氧化炭黑(OCB)。
(2)不同反应对照实验水热前驱产物的制备首先，称取60mg的氧化炭黑(OCB)于10ml水热反应釜中，并加5ml去离子水，并超声分散1h；然后将0.22g 2，5-吡啶羧酸加入反应釜中并搅拌1h；再将0.04g六水硝酸镍加入反应釜中并搅拌30min；最后，在190℃下恒温水热反应6h。待反应釜冷却至室温，通过离心收集产物，水洗3次。最后于真空烘箱中80℃下干燥过夜，从而制备得到Ni-PDCH@OCB-2的水热前驱体产物.
其它实验过程与实施例1相同。
实施例3：产物记为Ni-PDCH@OCB-3
(1)氧化炭黑(OCB)的制备将1.5g的原始炭黑(CB)分散于100ml 7mol L-1的硝酸溶液中；然后转移至水热反应釜中，并在100℃下水热24h；待反应釜冷却至室温，通过离心收集黑色沉淀，并在80℃下真空干燥过夜，得到氧化炭黑(OCB)。
(2)不同反应对照实验水热前驱产物的制备首先，称取60mg的氧化炭黑(OCB)于25ml水热反应釜中，并加10ml去离子水，并超声分散1h；然后将0.22g 2，5-吡啶羧酸加入反应釜中并搅拌1h；再将0.02g六水硝酸镍加入反应釜中并搅拌30min；最后，在200℃下恒温水热反应6h。待反应釜冷却至室温，通过离心收集产物，水洗3次。最后于真空烘箱中80℃下干燥过夜，从而制备得到Ni-PDCH@OCB-3的水热前驱体产物.
其它实验过程与实施例1相同。
对比例1：(将2，5-吡啶羧酸替换为对苯二甲酸)
(1)氧化炭黑(OCB)的制备将1.5g的原始炭黑(CB)分散于100ml 7mol L-1的硝酸溶液中；然后转移至水热反应釜中，并在100℃下水热24h；待反应釜冷却至室温，通过离心收集黑色沉淀，并在80℃下真空干燥过夜，得到氧化炭黑(OCB)。
(2)不同反应对照实验水热前驱产物的制备首先，称取60mg的氧化炭黑(OCB)于10ml水热反应釜中，并加5ml去离子水，并超声分散1h；然后将0.11g对苯二甲酸加入反应釜中并搅拌1h；再将0.02g六水硝酸镍加入反应釜中并搅拌30min；最后，在180℃下恒温水热反应6h。待反应釜冷却至室温，通过离心收集产物，水洗3次。最后于真空烘箱中80℃下干燥过夜，从而制备得到Ni-PDCH@OCB的水热前驱体产物.
其他实验过程(3)-(5)与实例1相同。其最终煅烧产物记为对照样品1#。对比例2：(浓硝酸替换为盐酸)
将2g的原始炭黑(CB)分散于100ml 7mol L-1的盐酸溶液中；然后转移至水热反应釜中，并在100℃下水热24h；待反应釜冷却至室温，通过离心收集黑色沉淀，并在80℃下真空干燥过夜，得到氧化炭黑(OCB)。
其它实验过程(2)～(5)与实施例1相同。所得到的最终煅烧产物记为对照样品2#。
对比例3:产物记为Ni-PDCH
首先，将5mL去离子水加入到10mL水热反应釜中，并超声分散1h；然后将0.22g的2，5-吡啶羧酸加入反应釜中并搅拌1h；再将0.04g六水硝酸镍加入反应釜中并搅拌30min；最后，在180℃下恒温水热反应6h。待反应釜冷却至室温，通过离心收集产物，水洗3次。最后于真空烘箱中80℃下干燥过夜，从而制备得到水热前驱体产物.
其后续试验过程与实施例1相同，最后得到产物记为对照样品3#，即Ni-PDCH。
对比例4:PDCH@OCB
(1)氧化炭黑(OCB)的制备将1.5g的原始炭黑(CB)分散于100ml 7mol L-1的硝酸溶液中；然后转移至水热反应釜中，并在100℃下水热24h；待反应釜冷却至室温，通过离心收集黑色沉淀，并在80℃下真空干燥过夜，得到氧化炭黑(OCB)。
(2)不同反应对照实验水热前驱产物的制备首先，称取60mg的氧化炭黑(OCB)于10ml水热反应釜中，并加5ml去离子水，并超声分散1h；然后将0.11g的2,2-吡啶二羧酸加入反应釜中并搅拌1h；最后，将反应釜转移到烘箱中于180℃下水热反应6h。待反应釜冷却至室温，通过离心收集产物，水洗3次。最后于真空烘箱中80℃下干燥过夜，从而制备得到PDCH@OCB的水热前驱体产物.后续的其他实验过程与实例1相同，所得到的最终煅烧产物记为对照样品4#。
其他实验过程与实施例1相同。所得到的最终煅烧产物记为对照样品4#。将实施例1-3和对比例1-4中制备得到的样品进行检测，结果如下：
表1、不同案例所得样品的过氧化氢产率、电子转移数目
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电催化合成过氧化氢的镍氮共掺杂碳材料，其特征在于：该材料以商用炭黑为原材料，先经过浓酸氧化炭黑，赋予炭黑一定的含氧官能团；再加入特定的有机配体和六水硝酸镍进行水热反应，利用在氧化炭黑上合成特定配位结构的金属中心镍-有机配位化合物；最后通过低温碳化，制备得到特定键合的镍氮共掺杂碳材料；所述的特定有机配体为2,5-吡啶羧酸。
2.如权利要求1所述的镍氮共掺杂碳材料，其特征在于，所述的浓酸为浓硫酸、浓硝酸或其混合物，浓酸的浓度为3-8mol L-1，炭黑的质量g与浓酸溶液的体积ml的比例关系为1:10~100。
3.如权利要求2所述的镍氮共掺杂碳材料，其特征在于，所述水热反应的条件为：150℃~220℃下水热反应6~12h；低温碳化的温度为280~400℃，时间为1~3h。
4.如权利要求1-3中任意一项权利要求所述镍氮共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）氧化炭黑的制备：将原料炭黑分散于浓酸溶液中；然后转移至水热反应釜中进行水热反应；待反应釜冷却至室温，通过离心收集黑色沉淀，并在60~100℃下真空干燥过夜，得到氧化炭黑；
2）水热前驱产物的制备：称取步骤1）制备的氧化炭黑于反应釜中，并加入去离子水进行超声分散；然后将2,5-吡啶羧酸加入反应釜中并进行搅拌0.5~2h；再将一定量的六水硝酸镍加入反应釜中并搅拌30±5min；最后在150℃~220℃的温度条件下恒温水热6-12h后将反应釜冷却；待反应釜冷却至室温，通过离心收集产物，得到Ni-PDCH@OCB水热前驱产物；
3）一步低温碳化处理：将步骤2）得到的水热前驱产物置于玛瑙研钵中物理研磨均匀，并盛放于陶瓷坩埚中，在氮气保护下，于管式炉中，按1~5℃ min-1的升温速率升温，于280~400℃的条件下恒温1~3h后进行自然冷却，待管式炉自然冷却至室温，取出碳化产物，进而得到Ni-PDCH@OCB。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中水热反应的条件为：100℃~150℃下水热反应12~24h。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中，氧化炭黑的质量g与去离子水的体积mL的比例关系为1：50~100；超声分散条件为，100~800Hz，时间2~3h；氧化炭黑、2,5-吡啶羧酸与六水硝酸镍的质量比为0.03~0.1：0.11~0.33：0.015~0.15。
7.利用如权利要求4所述制备方法得到的镍氮共掺杂碳材料制备电极的方法，其特征在于包括以下步骤：
对于RRDE工作电极，称取一定量的镍氮共掺杂碳材料分散在含有水、乙醇和Nafion溶液的PVC管中，超声后得到均匀的分散液，将分散液均匀滴涂在RRDE上，待自然干燥成膜，即得电极；该电极用于定性分析催化合成过氧化氢性能；
或称取一定量的镍氮共掺杂碳材料分散在含有水、乙醇和Nafion溶液的PVC管中，超声后得到均匀的分散液，多次少量且全部滴涂分散液在1×1cm-2的碳纸上，待自然干燥成膜，即得电极；该电极用于定量分析催化合成过氧化氢性能。
8.利用权利要求7所述电极进行电化学性能测试的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:定性分析催化合成过氧化氢性能电化学性能测试均在AUTOLAB 电化学工作站上进行，测试系统为标准的三电极体系，其中电化学测试过程以滴涂活性物质分散液的RRDE电极为工作电极，以铂丝为对电极，以饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，0.1 mol L-1 KOH溶液为电解液；
S2:定量分析催化合成过氧化氢性能电化学性能测试均在AUTOLAB 电化学工作站上进行，测试系统为标准的三电极体系，其中电化学测试过程以滴涂活性物质分散液的碳纸为工作电极，以铂丝为对电极，以饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，0.1 mol L-1 KOH溶液为电解液；并且采用H-型电池测试模型进行过氧化氢定量测试。
9.如权利要求4所述制备方法得到的镍氮共掺杂碳材料，其特征在于：该材料为纳米级的碳球，且表现出良好的石墨化晶格条纹，无明显金属元素特征峰，具有较大的盘电流和环电流密度，过氧化氢生成产率可达95%；具有高电流密度、高过氧化氢生成产率的双重优势，具有优异的使用寿命。
10.如权利要求5所述制备方法得到的镍氮共掺杂碳材料，其特征在于：在H-型电池模型中进行三电极测试，在长达8h的电催化合成过程中，过氧化氢生产量保持一个大的线性增长趋势；且在8h后，过氧化氢生成量可达31.2 mmol L-1。
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