CN102336444B - 一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法 - Google Patents

一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法，该方法包括以下步骤：取适量的醋酸钴和十六烷基氯化铵加入到盛有乙腈、N，N-二甲基酰胺和去离子水的混合液的反应釜中，溶解后加入30wt％的过氧化氢，充分混合后，将反应釜置于150℃的烘箱中，一定时间后取出自然冷却，将反应液离心分离、水洗，数次后既得粉末状产物。与现有技术相比，本发明合成的四氧化三钴为纳米级盘状结构，尺寸较均匀，晶化良好，具有低温超顺磁性，制备方法简单易行，重复性好，产物性质稳定，可广泛用作电极材料、太阳能吸收材料、异相催化剂、电致变色器件以及气体传感器等。

Description

一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法
技术领域
本发明涉及一种结构可控的无机材料的制备方法，尤其是涉及一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法。
背景技术
作为一个重要的p型半导体材料，四氧化三钴因在传感器件、异相催化、电致变色及磁学等多个领域具有广泛应用，而受到特别的关注。由于该材料在这些特定应用领域的性质与其微观结构紧密相关，因此，对具有特定微纳结构的四氧化三钴进行可控制备是材料学家们研究的一个重要方面。目前，通过一些合成途径比如湿法、纳米浇铸法、氧化物热分解法及机械化学法等已经得到了不同形貌和结构的四氧化三钴，如纳米线“Freestanding Mesoporous Quasi-Single-Crystalline Co3O4Nanowire Arrays”[Li Y G，Tan B and Wu Y Y.J.Am.Chem.Soc.12814258-14259.(2006)]、纳米管“Co3O4nanomaterials in lithium-ion batteries and gas sensors”[Li WY，Xu L N and Chen J.Adv.Funct.Mater.15851-857.(2005)]、立方体“Co3O4nanoboxes：Surfactant-templated fabrication and microstructure characterization”[He T，Chen D R，Jiao X L and Wang Y L.Adv.Mater.181078-1082.(2006)]、介孔结构“Controllable Synthesis of Mesoporous Co3O4 Nanostructures with TunableMorphology for Application in Supercapacitors”[Xiong S L，Yuan C Z，Zhang M F，XiB J and Qian Y T.Chem.Eur.J.155320-5326.(2009)]和有序纳米柱“HydrothermalSynthesis of Hierarchical Nanocolumns of Cobalt Hydroxide and Cobalt Oxide”[Shao YZ，Sun J and Gao L.J.Phys.Chem.C 1136566-6572.(2009)]等。虽然盘状结构在高效率选择性催化方面有特殊的应用，但对于盘状四氧化三钴的研究还很少，除了其亚微米级盘的合成报道外“High-Yield Preparation of Uniform Cobalt Hydroxide andOxide Nanoplatelets and Their Characterization”[Hou Y L，Kondoh H，Shimojo M，Kogure T and Ohta T.J.Phys.Chem.B 10919094-19098.(2005)]，纳米级盘状四氧化三钴的合成还尚未涉及，这会大大限制四氧化三钴的特定应用，因为相比之下，具有纳米尺度的盘状四氧化三钴具有更大的比表面积，从而有望具有更高的催化活性。
因此，探索一种结构可控的纳米级盘状四氧化三钴的制备方法，不仅可以丰富和完善四氧化三钴生长机制和制备工艺，还可同时获得具有特殊结构和优良性能的产物，这对于拓展四氧化三钴的应用领域和前景具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备方法简便、结构易于控制、成本较低的制备纳米级盘状四氧化三钴的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将乙腈、N，N-二甲基酰胺及去离子水按体积比为1∶1∶1加入至反应釜，得到混合溶液，然后向混合溶液中加入醋酸钴及十六烷基三甲基氯化铵，搅拌使醋酸钴和十六烷基三甲基氯化铵溶解，形成透明均匀溶液；
(2)在搅拌条件下向反应釜中加入30wt％的过氧化氢，然后旋紧反应釜，将反应釜置于150℃的烘箱中加热10～15h，将得到的产物进行离心分离后，再水洗，反复2-4次后自然干燥，得到黑色的粉末状产物，即为产品。
所述步骤(1)的溶液中醋酸钴的摩尔浓度为2.0～3.0mM。
所述步骤(1)的溶液中十六烷基三甲基氯化铵的摩尔浓度为1.0～6.0mM。
所述的步骤(2)中过氧化氢的摩尔浓度为0.6～1.8M。
所述的产品的微观结构为盘状，厚度为3～5nm，直径为10～40nm。
与现有技术相比，本发明合成的四氧化三钴为纳米级盘状结构，尺寸可控，晶化良好，具有低温超顺磁性，制备方法简单易行，重复性好，产物性质稳定，可广泛用作电极材料、太阳能吸收材料、异相催化剂、电致变色器件以及气体传感器等。
附图说明
图1为实施例1得到产品的透射电子显微镜图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
于一个50mL的聚四氟乙烯的反应釜中，称取0.006g醋酸钴、0.012g十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)加入到3mL乙腈，3mL N，N-二甲基酰胺和3mL水的混合液中，轻微搅拌直至醋酸钴溶解完全，形成一个透明的均匀溶液。然后在搅拌下加入2mL，含量为30wt％的过氧化氢，混合充分，溶液中的醋酸钴的摩尔浓度为2.2mM，十六烷基三甲基氯化铵的摩尔浓度为4.0mM，过氧化氢的摩尔浓度为1.8M。旋紧反应釜，将其置入烘箱中于150℃静置15h后，将产物进行离心分离、水洗3次自然干燥后，得到黑色的粉末状产物。如图1中的TEM照所示，该产物为菱形盘状，尺寸均匀，厚度约3nm，直径约20nm，其磁滞曲线显示，高于2K该纳米盘为超顺磁体。
实施例2
于一个50mL的聚四氟乙烯的反应釜中，称取0.006g醋酸钴、0.003g十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)加入到3mL乙腈，3mL N，N-二甲基酰胺和3mL水的混合液中，轻微搅拌直至醋酸钴溶解完全，形成一个透明的均匀溶液。然后在搅拌下加入2.0mL，含量为30wt％的过氧化氢，混合充分，溶液中的醋酸钴的摩尔浓度为2.2mM，十六烷基三甲基氯化铵的摩尔浓度为1.0mM，过氧化氢的摩尔浓度为1.8M。旋紧反应釜，将其置入烘箱中于150℃静置15h后，将产物进行离心分离、水洗2次并自然干燥后，得到黑色的粉末状产物。该产物为盘状，厚度约5nm，直径约20-40nm。
实施例3
于一个50mL的聚四氟乙烯的反应釜中，称取0.006g醋酸钴、0.018g十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)加入到3mL乙腈，3mL N，N-二甲基酰胺和3mL水的混合液中，轻微搅拌直至醋酸钴溶解完全，形成一个透明的均匀溶液。然后在搅拌下加入2.0mL，含量为30％的过氧化氢，混合充分，溶液中的醋酸钴的摩尔浓度为2.2mM，十六烷基三甲基氯化铵的摩尔浓度为6.0mM，过氧化氢的摩尔浓度为1.8M。旋紧反应釜，将其置入烘箱中于150℃静置15h后，将产物进行离心分离、水洗4次自然干燥后，得到黑色的粉末状产物。该产物为圆形或菱形盘状，厚度约3nm，直径约10-20nm。
实施例4
一种制备纳米盘状四氧化三钴的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将乙腈，N，N-二甲基酰胺及去离子水按体积比为1∶1∶1加入至反应釜，得到混合溶液，然后向混合溶液中加入醋酸钴及十六烷基三甲基氯化铵，开启搅拌装置使醋酸钴及十六烷基三甲基氯化铵溶解，形成透明均匀溶液；
(2)向反应釜中加入30wt％的过氧化氢，继续搅拌混合均匀，得到混合溶液，溶液中的醋酸钴的摩尔浓度为2.0mM，十六烷基三甲基氯化铵的摩尔浓度为4.0mM，过氧化氢的摩尔浓度为0.6M，然后旋紧反应釜，将反应釜置于150℃的烘箱中加热10h，将得到的产物进行离心分离、水洗3次并烘干后，得到黑色的粉末状产物，即为产品四氧化三钴(Co3O4)，得到的四氧化三钴的微观结构为盘状，厚度约为5nm、直径约为15-20nm。
实施例5
一种制备纳米盘状四氧化三钴的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将乙腈，N，N-二甲基酰胺及去离子水按体积比为1∶1∶1加入至反应釜，得到混合溶液，然后向混合溶液中加入醋酸钴及十六烷基三甲基氯化铵，开启搅拌装置使醋酸钴及十六烷基三甲基氯化铵溶解，形成透明均匀溶液；
(2)向反应釜中加入30wt％的过氧化氢，继续搅拌混合均匀，得到混合溶液，混合液中的醋酸钴的摩尔浓度为3.0mM，十六烷基三甲基氯化铵的摩尔浓度为4.0mM，过氧化氢的摩尔浓度为1.2M，然后旋紧反应釜，将反应釜置于150℃的烘箱中加热15h，将得到的产物进行离心分离、水洗3次并自然干燥后，得到黑色的粉末状产物，即为产品四氧化三钴(Co3O4)，得到的四氧化三钴的微观结构为盘状，厚度约为3-5nm、宽度约为20-25nm。

Claims (5)

1.一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将乙腈、N，N-二甲基酰胺及去离子水按体积比为1︰1︰1加入至反应釜，得到混合溶液，然后向混合溶液中加入醋酸钴及十六烷基三甲基氯化铵，搅拌使醋酸钴和十六烷基三甲基氯化铵溶解，形成透明均匀溶液；
（2）在搅拌条件下向反应釜中加入30wt%的过氧化氢，然后旋紧反应釜，将反应釜置于150℃的烘箱中加热10～15h，将得到的产物进行离心分离后，再水洗，反复2-4次后自然干燥，得到黑色的粉末状产物，即为产品。
2.根据权利要求1所述的一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法，其特征在于，所述步骤（1）的溶液中醋酸钴的摩尔浓度为2.0～3.0mM。
3.根据权利要求1所述的一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法，其特征在于，所述步骤（1）的溶液中十六烷基三甲基氯化铵的摩尔浓度为1.0～6.0mM。
4.根据权利要求1所述的一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中加入30wt%的过氧化氢后的溶液中过氧化氢的摩尔浓度为0.6～1.8M。
5.根据权利要求1所述的一种制备纳米级盘状四氧化三钴的方法，其特征在于，所述的产品的微观结构为盘状，厚度为3～5nm，直径为10～40nm。
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