CN102849804A - 一种四氧化三钴柱状结构材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种四氧化三钴柱状结构材料及其制备方法，属于无机材料领域。该制备方法具体包括：在乙酸钴的水溶液中，加入一定体积比的丙三醇，充分混合，再加入适量的尿素作为沉淀剂，分散均匀，将混合溶液密封于高压釜，在特定的温度反应一定时间，抽滤，洗涤，干燥，空气中置于马弗炉中煅烧即得柱状结构的四氧化三钴。该方法操作工艺简单、产率高、成本低、不添加任何表面活性剂、无污染，制得的四氧化三钴形貌规整、分散均一、颗粒密度高，因此有望在锂离子电池、超级电容器、气敏、生物传感和催化等诸多领域得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及无机材料领域，具体地，本发明涉及一种四氧化三钴材料及其制备方法。
背景技术
Co3O4粉末外观呈黑色或灰黑色，理论钴含量为73.43%，氧含量26.57%，松装密度0.5~1.5g/cm3，振实密度6.0～6.2g/cm3。Co3O4作为一种典型的尖晶石型过渡金属氧化物，由于其特殊的结构和性能，在电化学、催化剂、气敏、生物传感、磁性材料和电致变色薄膜等领域有着广泛的应用。
目前文献报道的Co3O4粉末的制备方法比较多，有溶剂热法、喷雾热分解法、还原氧化法、均匀沉淀法、机械球磨法、室温固相反应法和水热法等，其中采用溶剂热法是使溶剂处于高于其临界点的温度和压力，因而可以溶解大多数物质，使常规条件下不能发生的反应可以进行，或者加速进行，而且在反应过程中可以控制晶体的生长，得到不同形貌的产品，该方法还具有能耗低、分散均一、不易团聚等优点，因此受到广大科研工作者的亲睐。
中国专利（CN102491431A）公开了一种微波一步法制备四氧化三钴八面体的方法，该专利技术采用了微波制备法，即把钴盐和硫脲按一定物质的量之比进行混合，以乙二醇为溶剂，加入适量的吸波碳材料，在一定的微波条件下反应得到规则八面体形状的四氧化三钴。该方法具有操作简单、反应时间短、易得和无污染等优点，但是该材料纯度不高，且易团聚，用作功能材料时，上述缺陷对材料的性能影响很大，无法达到工业化应用要求。
中国专利（CN102145922A）公开了一种四氧化三钴花瓣状曲面纳米结构的制备方法，该专利技术采用了直接氧化法，即把钴片放置于纯氧气氛的管式炉中，在氧气氛下通入适量的水蒸气，通过控制反应器温度、纯氧气氛的流速、水蒸气的补给量等直接生产出花瓣状曲面结构的四氧化三钴。这种直接氧化法制备的四氧化三钴，形貌呈花瓣状，大大提高了材料的比表面积，使得材料与电解液的接触面积更大，有利于提高锂离子电池的电化学性能，但纯氧气氛增加了生产的危险性，且该方法生产效率低，成本高，无法实现大规模生产。
中国专利（CN101348283A）公开了一种四氧化三钴纳米管及纳米晶的溶剂热合成方法，该专利技术采用了溶剂热法，即以环己烷作为反应溶剂，将二价的钴盐以一定的浓度溶于其中，加入氨水作为络合剂和沉淀剂，在高压釜中一定温度反应一段时间直接生产出四氧化三钴纳米管及纳米晶。这种方法制备的四氧化三钴具有形貌可控、分布均一、结晶度高等典型溶液热法的优点，但是该方法反应温度为220~260℃，增加了生产的能耗，使得产品成本提高，且生产过程中产生大量含氨根的废水需要处理，涉及的环保问题有待解决。
发明内容
本发明的目的之一在于针对目前四氧化三钴合成方法的缺陷，提供了一种四氧化三钴柱状结构材料的溶剂热合成方法，这种方法不但具有形貌可控、分布均一、结晶度高和能耗低等典型的溶液热法的优点，而且克服了溶剂热法产率低、纯度不高和形貌不均一等缺陷，适合大规模工业化生产。
所述四氧化三钴柱状结构材料的制备方法包括：将乙酸钴水溶液与丙三醇以1:1~8:1的体积比进行混合，加入尿素混合，然后将混合溶液置于密封反应器中反应，煅烧所得前驱物得到四氧化三钴柱状结构材料。
优选地，所述反应温度为130~210℃；
优选地，所述反应时间为至少3小时；
优选地，所述煅烧温度为200~500℃；
优选地，所述煅烧时间为至少1.5小时。
优选地，所述四氧化三钴柱状结构材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将乙酸钴水溶液与丙三醇以1:1~8:1的体积比进行混合，加入尿素，混合；
（2）将步骤（1）得到的混合溶液加入至密封反应器，于130~210℃下反应至少3小时；
（3）对步骤（2）所得沉淀除杂；
（4）将步骤（3）干燥所得前驱物于200~500℃煅烧至少1.5小时，所得黑色粉末即为柱状结构四氧化三钴。
优选地，所述乙酸钴水溶液中乙酸钴浓度为0.1~0.8mol/L，例如0.11mol/L、0.12mol/L、0.13mol/L、0.19mol/L、0.21mol/L、0.3mol/L、0.4mol/L、0.51mol/L、0.61mol/L、0.71mol/L、0.78mol/L或0.79mol/L等，进一步优选为0.15~0.6mol/L，特别优选为0.2~0.5mol/L。
所述乙酸钴水溶液与丙三醇的体积比可以为1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.6:1、1.8:1、1.9:1、2.1:1、2.5:1、3:1、4:1、4.8:1、4.9:1、5.1:1、6:1、6.8:1、6.9:1、7.1:1、7.5:1、7.8:1或7.9:1等，优选为1.5:1~7:1，特别优选为2:1~5:1。
在本发明中，所述乙酸钴水溶液与丙三醇的体积比指乙酸钴水溶液中的溶剂水与丙三醇的体积比。例如0.8mmol乙酸钴溶于1ml水中，乙酸钴水溶液浓度为0.8mol/L，加入0.25ml丙三醇混合，则乙酸钴水溶液与丙三醇的体积比为4:1。
所述溶剂水优选蒸馏水。
所述乙酸钴水溶液与丙三醇通过搅拌混合；优选地，所述搅拌分散时间为至少10分钟，例如11分钟、12分钟、13分钟、16分钟、19分钟、21分钟、25分钟、28分钟、29分钟、31分钟、35分钟或40分钟等，进一步优选为15~30分钟，特别优选为20分钟。
优选地，所述尿素的加入量为0.01~0.6mol/L，例如0.011mol/L、0.012mol/L、0.013mol/L、0.02mol/L、0.025mol/L、0.028mol/L、0.029mol/L、0.031mol/L、0.035mol/L、0.05mol/L、0.06mol/L、0.09mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.39mol/L、0.41mol/L、0.5mol/L、0.58mol/L或0.59mol/L等，进一步优选为0.03~0.4mol/L，特别优选为0.055~0.35mol/L。所述尿素的加入量为0.01~0.6mol/L指每升乙酸钴水溶液与丙三醇的混合溶液中加入尿素量为0.01~0.6mol。
优选地，加入尿素后所述混合为通过搅拌混合；优选地，所述搅拌时间为至少0.2小时，例如0.21小时、0.22小时、0.23小时、0.3小时、0.39小时、0.41小时、0.45小时、0.49小时、0.51小时、0.6小时、1小时、1.5小时、1.9小时、2.1小时、2.5小时、3小时、4小时、4.5小时、4.8小时、4.9小时、5.1小时、6小时、8小时等，进一步优选为0.4~5小时，特别优选为0.5~2小时。
优选地，步骤（2）中所述密封反应器为高压釜，特别优选为具有聚四氟乙烯内胆的高压釜。
所述反应温度可以为131℃、132℃、133℃、139℃、141℃、149℃、151℃、160℃、180℃、190℃、195℃、198℃、199℃、201℃、202℃、205℃、208℃或209℃等，优选为140~200℃，特别优选为150~200℃。
所述反应时间可以为3.1小时、3.2小时、3.3小时、3.5小时、3.9小时、4.1小时、4.5小时、4.9小时、5.1小时、6小时、8小时、10小时、14小时、14.9小时、15.1小时、18小时、19.5小时、19.9小时、20.1小时、25小时或30小时等，优选为4~20小时，特别优选为5~15小时。
优选地，所述除杂为蒸馏水或/和乙醇洗涤并离心，特别优选依次经蒸馏水和乙醇洗涤并离心；优选地，所述除杂重复至少3次，进一步优选至少4次，特别优选5次。
优选地，所述除杂后进行干燥；优选地，所述干燥采用真空干燥箱；优选地，所述干燥温度为40~100℃，例如41℃、42℃、43℃、45℃、49℃、51℃、59℃、61℃、70℃、79℃、81℃、89℃、91℃、95℃、98℃或99℃等，进一步优选为50~90℃，特别优选为60~80℃；优选地，所述干燥时间为至少8小时，例如8.1小时、8.2小时、8.3小时、8.5小时、9小时、9.9小时、10.1小时、11小时、11.9小时、12.1小时、15小时、20小时、23小时、23.9小时、24.1小时、28小时、29.9小时、30.1小时、35小时或40小时等，进一步优选为10~30小时，特别优选为12~24小时。
优选地，所述煅烧在马弗炉中进行。
优选地，所述煅烧在空气气氛中进行。
所述煅烧温度可以为201℃、202℃、203℃、210℃、220℃、229℃、231℃、249℃、251℃、270℃、300℃、350℃、390℃、399℃、401℃、440℃、449℃、451℃、480℃、490℃、498℃、499℃等，优选为230~450℃，特别优选为250~400℃。
所述煅烧时间可以为1.51小时、1.52小时、1.6小时、1.9小时、1.99小时、2.01小时、2.1小时、3小时、3.9小时、4.1小时、4.5小时、5小时、6小时、7小时、7.5小时、7.8小时、7.9小时、8.1小时、9小时、10小时等，进一步优选为2~8小时，特别优选为2~4小时。
优选地，所述四氧化三钴柱状结构材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将0.1~0.8mol/L乙酸钴水溶液与丙三醇以1.5:1~7:1的体积比进行混合，搅拌分散使两种溶液充分混合；
（2）在步骤（1）得到的混合溶液中加入0.01~0.6mol/L尿素，搅拌，充分混合；
（3）将步骤（2）得到的混合溶液加入至高压釜，于140~200℃下反应4~20小时；
（4）对步骤（3）所得沉淀除杂，真空干燥；
（5）将步骤（4）干燥所得前驱物于230~450℃煅烧2~8小时，所得黑色粉末即为柱状结构四氧化三钴。
在本发明中，假设固体溶解入液体后，不改变混合溶液的体积，即混合溶液的体积为加入固体前的液体体积。
本发明的目的之一还在于提供一种由上述方法制备的四氧化三钴柱状结构材料，其特征在于，所述四氧化三钴柱状结构材料形貌规整的柱状结构，分散均一，颗粒粒径为8~12μm，颗粒中钴含量为74.3~74.5%。
本发明的优点和技术效果如下：
本发明所得到的柱状结构四氧化三钴形貌规整，分散均一，颗粒粒径在8~12μm；以常用的乙酸钴作为钴源，且不需要添加任何的表面活性剂，使得产品洗涤过程中减少了工序，降低了生产成本；以尿素作为沉淀剂，促使四氧化三钴柱状结构的形成，且粒径分布均匀，纯度高，产率高，易于实现大规模工业化生产，可以在锂离子电池、超级电容器、气敏、生物传感和催化等诸多领域得到广泛的应用。
附图说明
图1为实施例1所得柱状结构四氧化三钴材料的粉末XRD衍射图谱；
图2为实施例1所得柱状结构四氧化三钴材料的冷场发射扫描电镜图片。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
准确称取5mmol的乙酸钴，将其加入到20ml体积的蒸馏水中机械搅拌10分钟，使乙酸钴充分溶解，再量取10ml体积的丙三醇加入到乙酸钴溶液中机械搅拌20分钟，准确称取5mmol的尿素溶解到上述混合溶液当中机械搅拌1小时，将分散均匀的混合溶液放入高压釜中密封，在150℃反应温度条件下保持5小时，然后分别用蒸馏水和无水乙醇各洗涤5次，在真空干燥箱中80℃干燥12小时，即得到柱状结构的碳酸钴前驱物，将前驱物置于马弗炉中350℃煅烧3小时，既得柱状结构四氧化三钴材料，颗粒直径为颗粒粒径为8~10μm，颗粒中钴含量为74.31~74.48%。
实施例2
准确称取6.5mmol的乙酸钴，将其加入到25ml体积的蒸馏水中机械搅拌10分钟，使乙酸钴充分溶解，再量取5ml体积的丙三醇加入到乙酸钴溶液中机械搅拌20分钟，准确称取5mmol的尿素溶解到上述混合溶液当中机械搅拌2小时，将分散均匀的混合溶液放入高压釜中密封，在160℃反应温度条件下保持15小时，然后分别用蒸馏水和无水乙醇各洗涤5次，在真空干燥箱中80℃干燥20小时，即得到柱状结构的碳酸钴前驱物，将前驱物置于马弗炉中250℃煅烧3小时，既得柱状结构四氧化三钴材料，颗粒粒径为9~12μm，颗粒中钴含量为74.35~74.50%。
实施例3
准确称取7.5mmol的乙酸钴，将其加入到20ml体积的蒸馏水中机械搅拌10分钟，使乙酸钴充分溶解，再量取10ml体积的丙三醇加入到乙酸钴溶液中机械搅拌20分钟，准确称取5mmol的尿素溶解到上述混合溶液当中机械搅拌1小时，将分散均匀的混合溶液放入高压釜中密封，在180℃反应温度条件下保持5小时，然后分别用蒸馏水和无水乙醇各洗涤5次，在真空干燥箱中60℃干燥24小时，即得到柱状结构的碳酸钴前驱物，将前驱物置于马弗炉中400℃煅烧3小时，既得柱状结构四氧化三钴材料，颗粒粒径为8~9μm，颗粒中钴含量为74.32~74.49%。。
实施例4
准确称取10mmol的乙酸钴，将其加入到20ml体积的蒸馏水中机械搅拌10分钟，使乙酸钴充分溶解，再量取10ml体积的丙三醇加入到乙酸钴溶液中机械搅拌20分钟，准确称取5mmol的尿素溶解到上述混合溶液当中机械搅拌2小时，将分散均匀的混合溶液放入高压釜中密封，在200℃反应温度条件下保持15小时，然后分别用蒸馏水和无水乙醇各洗涤5次，在真空干燥箱中60℃干燥12小时，即得到柱状结构的碳酸钴前驱物，将前驱物置于马弗炉中250℃煅烧3小时，既得柱状结构四氧化三钴材料，颗粒粒径为8~10μm，颗粒中钴含量为74.31~74.43%。
实施例5
准确称取2mmol的乙酸钴，将其加入到20ml体积的蒸馏水中机械搅拌10分钟，使乙酸钴充分溶解，再量取20ml体积的丙三醇加入到乙酸钴溶液中机械搅拌30分钟，准确称取24mmol的尿素溶解到上述混合溶液当中机械搅拌5小时，将分散均匀的混合溶液放入高压釜中密封，在210℃反应温度条件下保持3小时，然后分别用蒸馏水和无水乙醇各洗涤5次，在真空干燥箱中100℃干燥8小时，即得到柱状结构的碳酸钴前驱物，将前驱物置于马弗炉中500℃煅烧1.5小时，既得柱状结构四氧化三钴材料，颗粒粒径为10~12μm，颗粒中钴含量为74.33~74.46%。
实施例6
准确称取16mmol的乙酸钴，将其加入到20ml体积的蒸馏水中机械搅拌10分钟，使乙酸钴充分溶解，再量取2.5ml体积的丙三醇加入到乙酸钴溶液中机械搅拌10分钟，准确称取0.23mmol的尿素溶解到上述混合溶液当中机械搅拌0.2小时，将分散均匀的混合溶液放入高压釜中密封，在130℃反应温度条件下保持20小时，然后分别用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次，在真空干燥箱中40℃干燥30小时，即得到柱状结构的碳酸钴前驱物，将前驱物置于马弗炉中200℃煅烧8小时，既得柱状结构四氧化三钴材料，颗粒粒径为10~11μm，颗粒中钴含量为74.35~74.46%。
实施例7
准确称取3mmol的乙酸钴，将其加入到20ml体积的蒸馏水中机械搅拌10分钟，使乙酸钴充分溶解，再量取3ml体积的丙三醇加入到乙酸钴溶液中机械搅拌15分钟，准确称取0.69mmol的尿素溶解到上述混合溶液当中机械搅拌0.4小时，将分散均匀的混合溶液放入高压釜中密封，在205℃反应温度条件下保持4小时，然后分别用蒸馏水和无水乙醇各洗涤4次，在真空干燥箱中50℃干燥27小时，即得到柱状结构的碳酸钴前驱物，将前驱物置于马弗炉中220℃煅烧6小时，既得柱状结构四氧化三钴材料，颗粒粒径为8~11μm，颗粒中钴含量为74.34~74.45%。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种四氧化三钴柱状结构材料的制备方法，包括：将乙酸钴水溶液与丙三醇以1:1~8:1的体积比进行混合，加入尿素混合，然后将混合溶液置于密封反应器中反应，煅烧所得前驱物得到四氧化三钴柱状结构材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应温度为130~210℃；
优选地，所述反应时间为至少3小时；
优选地，所述煅烧温度为200~500℃；
优选地，所述煅烧时间为至少1.5小时。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将乙酸钴水溶液与丙三醇以1:1~8:1的体积比进行混合，加入尿素，混合；
（2）将步骤（1）得到的混合溶液加入至密封反应器，于130~210℃下反应至少3小时；
（3）对步骤（2）所得沉淀除杂；
（4）将步骤（3）干燥所得前驱物于200~500℃煅烧至少1.5小时，所得黑色粉末即为柱状结构四氧化三钴。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述乙酸钴水溶液中乙酸钴浓度为0.1~0.8mol/L，进一步优选为0.15~0.6mol/L，特别优选为0.2~0.5mol/L；
优选地，所述乙酸钴水溶液与丙三醇的体积比为1.5:1~7:1，特别优选为2:1~5:1。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述乙酸钴水溶液与丙三醇通过搅拌分散混合；
优选地，所述搅拌分散时间为至少10分钟，进一步优选为15~30分钟，特别优选为20分钟；
优选地，所述尿素的加入量为0.01~0.6mol/L，进一步优选为0.03~0.4mol/L，特别优选为0.055~0.35mol/L；
优选地，加入尿素后所述混合为通过搅拌混合；
优选地，加入尿素后所述搅拌时间为至少0.2小时，进一步优选为0.4~5小时，特别优选为0.5~2小时。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述反应温度优选为140~200℃，特别优选为150~200℃；
优选地，所述反应时间为4~20小时，特别优选为5~15小时；
优选地，所述除杂为蒸馏水或/和乙醇洗涤并离心，特别优选依次经蒸馏水和乙醇洗涤并离心；优选地，所述除杂重复至少3次，进一步优选至少4次，特别优选5次。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述除杂后进行干燥；
优选地，所述干燥采用真空干燥箱；
优选地，所述干燥温度为40~100℃，进一步优选为50~90℃，特别优选为60~80℃；
优选地，所述干燥时间为至少8小时，进一步优选为10~30小时，特别优选为12~24小时。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述煅烧在马弗炉中进行；
优选地，所述煅烧在空气气氛中进行；
优选地，所述煅烧温度为230~450℃，特别优选为250~400℃；
优选地，所述煅烧时间为2~8小时，特别优选为2~4小时。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将0.1~0.8mol/L乙酸钴水溶液与丙三醇以1.5:1~7:1的体积比进行混合，搅拌分散使两种溶液充分混合；
（2）在步骤（1）得到的混合溶液中加入0.01~0.6mol/L尿素，搅拌，充分混合；
（3）将步骤（2）得到的混合溶液加入至高压釜，于140~200℃下反应4~20小时；
（4）对步骤（3）所得沉淀除杂，真空干燥；
（5）将步骤（4）干燥所得前驱物于230~450℃煅烧2~8小时，所得黑色粉末即为柱状结构四氧化三钴。
10.一种四氧化三钴柱状结构材料，其特征在于，所述四氧化三钴柱状结构材料由权利要求1-9任一项所述方法制备。
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