CN102887548B - 一种海胆状分级结构四氧化三钴纳米球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海胆状分级结构四氧化三钴纳米球及其制备方法,包括:将氯化钴水溶液与丙三醇混合,加入尿素,反应,除杂,煅烧,得到海胆状分级结构四氧化三钴纳米球。该方法制得的四氧化三钴为海胆状分级结构,这种棒球型分级结构有着丰富的空隙、大量内部联通的孔道和较大的比表面积,从而拥有许多耦合产生的新的物理化学特性,可以广泛应用到电化学、催化、生物传感、气敏和磁性材料等领域。
Description
技术领域
本发明涉及无机纳米材料制备领域,具体地,本发明涉及一种分级结构四氧化三钴纳米球及其制备方法。
背景技术
随着纳米科学的快速发展,零维纳米粒子、一维纳米线、纳米棒、纳米管等和二维纳米片已经被成功的合成。如何把它们组装成复杂结构从而展现出新颖的集合性能,成为国内外科研工作者关注的重点。分级结构作为纳米结构的一种,就是将不同尺寸或者层次的结构单元(纳米线、纳米棒、纳米带、纳米片等)组装,从而使其既具有纳米尺度物质单元的许多特性(如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等),又具有许多由这些纳米尺度的物质单元耦合后所产生的新的物理化学特性。
四氧化三钴由于其独特的物理化学特性以及在电化学、生物传感、磁性材料、催化等领域的广泛应用,从而引起了国内外科研工作者的极大关注。四氧化三钴的微观结构,如晶体形貌、结晶度、晶粒尺寸等是影响和决定其最终性能的关键因素。分级结构四氧化三钴,不但具有纳米粒子、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米片等低维纳米四氧化三钴所具有的特性,而且拥有许多耦合而产生的新的物理化学特性。因此,探索适当的反应和方法制备出具有分级结构的四氧化三钴并研究其性能具有重要意义。
常见的分级结构制备方法有模板法和无模板法。然而采用模板法制备的材料,实验最后都需要通过煅烧或者化学腐蚀等方法除去,致使最后得到的产物不纯。相比模板法,无模板法不需要采取这些苛刻的步骤,因此得到了人们的亲睐。
CN 102531070A公开了一种超级电容器用四氧化三钴纳米材料及其制备方法,是以硝酸钴为原料,以乙二醇与水的混合物为溶剂,加入一定量的葡萄糖,放入高压釜中,在120-200℃下反应10-25小时,抽滤,80℃干燥后,在马弗炉中300℃锻烧,获得直径7-15μm的三维分级结构四氧化三钴海胆状连体纳米球。该发明的特点在于操作方法简单,产率高,产物为三维分级结构,电化学性能优越。该制备三维分级结构四氧化三钴纳米球具有较高的稳定性,均匀的粒径分布,分散性好,不易团聚,三维结构孔隙有利于电解液扩散的特点,但是该制备方法采用乙二醇为溶剂,反应体系不够稳定,且合成过程中反应条件要求过于苛刻。
我们采用一种简单的溶剂热法制备出海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,其在电化学方面作为电极材料,它丰富的空隙结构和较大的比表面积可以提高金属氧化物的分散度,增大与电解液的接触面积,为电解液离子的传输提供了有力的通道,提到反应活性;在催化方面,它作为一种优良的催化剂和载体材料,其内部连通的孔道结构可以增强传质作用,提高催化反应效率;在吸附方面,其分级结构所具有的较大的比表面积,能够提高吸附容量,加快吸附速率。除此之外,该材料还在生物传感、气敏、磁性材料等领域也有诸多的优势,因此有望在上述领域得到广泛的应用。
发明内容
本发明的目的之一在于针对目前分级结构四氧化三钴合成困难,工艺复杂等缺陷,提供了一种无模版的溶剂热法制备海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的合成方法,这种方法不但具有低维纳米材料所具有的特性,而且拥有许多耦合产生的新的物理化学特性,除此之外还克服了模板法实验最后需要通过煅烧或者化学腐蚀等方法除去,使得最后产物不纯、成本增加等缺陷,因此有望在诸多领域得到广泛的应用。
所述海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的制备方法包括:以10:1~0.6:1的体积比将氯化钴水溶液与丙三醇混合,加入尿素,反应,除杂,煅烧,得到海胆状分级结构四氧化三钴纳米球。
优选地,所述反应温度为90~210℃。
优选地,所述反应时间为至少4小时。
优选地,所述煅烧温度为200~450℃。
优选地,所述煅烧时间为至少2小时。
优选地,所述海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的制备方法包括以下步骤:
(1)合成工序:以10:1~0.6:1的体积比将氯化钴水溶液与丙三醇溶液混合,再加入尿素作为沉淀剂,将混合溶液置入密封反应器,在90~210℃温度下,反应至少4小时;
(2)除杂工序:将步骤(1)得到的沉淀除杂,即得海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的前驱物;
(3)煅烧工序:在200~450℃下煅烧步骤(2)得到的前驱物至少2小时,获得海胆状分级结构四氧化三钴纳米球。
优选地,所述氯化钴水溶液浓度为0.04~0.6mol/L,例如:0.041mol/L、0.042mol/L、0.043mol/L、0.05mol/L、0.059mol/L、0.061mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.39mol/L、0.41mol/L、0.5mol/L、0.58mol/L、0.59mol/L等,进一步优选为0.06~0.4mol/L,特别优选为0.08~0.25mol/L。
所述氯化钴水溶液与丙三醇的体积比可以为9.9:1、9.8:1、9.7:1、9:1、8.1:1、7.9:1、7.1:1、6.9:1、5:1、3:1、1.1:1、0.8:1、0.62:1、0.61:1等,优选为8:1~0.8:1,特别优选为7:1~1:1。
在本发明中,所述氯化钴水溶液与丙三醇的体积比指氯化钴水溶液中的溶剂水与丙三醇的体积比。例如0.6mmol氯化钴溶于1ml水中,氯化钴水溶液浓度为0.6mol/L,加入0.1ml丙三醇混合,则氯化钴水溶液与丙三醇的体积比为10:1。
所述尿素为沉淀剂。优选地,所述尿素的加入量为0.05~0.8mol/L,进一步优选为0.1~0.4mol/L,特别优选为0.12~0.25mol/L。
优选地,步骤(1)中所述密封反应器为高压釜。
所述反应温度可以为90.1℃、90.2℃、91℃、99℃、101℃、105℃、109℃、111℃、120℃、140℃、160℃、175℃、179℃、181℃、190℃、199℃、201℃、207℃、208℃、209℃等,优选为100~200℃,特别优选为110~180℃。
所述反应时间可以为4.1小时、4.2小时、4.3小时、4.9小时、5.1小时、8小时、10小时、15小时、20小时、23小时、25小时、30小时、40小时、46小时、47小时、47.8小时、47.9小时、50小时等,优选为4.5~48小时,特别优选为5~24小时。
优选地,所述除杂为洗涤并离心,进一步优选所述除杂为蒸馏水或/和乙醇洗涤并离心,特别优选所述的蒸馏水洗涤3~5次,无水乙醇洗涤3~5次。所述蒸馏水和乙醇洗涤指依次使用蒸馏水和乙醇,而不是同时使用蒸馏水和乙醇。
优选地,所述离心转速为2500~7000r/min,特别优选3000~6000r/min。
优选地,所述除杂后进行干燥。
所述煅烧温度可以为200.1℃、200.2℃、201℃、210℃、215℃、219℃、221℃、230℃、240℃、249℃、251℃、300℃、350℃、399℃、401℃、430℃、449℃、451℃、480℃、495℃、498℃、499℃等,优选为220~420℃,特别优选为250~400℃。
所述煅烧时间可以为2.1小时、2.2小时、2.3小时、2.5小时、3小时、3.9小时、4.1小时、5小时、6小时、7小时、7.8小时、7.9小时、8.1小时、8.2小时、9小时、10小时、15小时等,优选为2~8小时,特别优选为2~4小时。
优选地,所述海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的制备方法包括以下步骤:
(1)合成工序:室温条件下以10:1~0.6:1的体积比将氯化钴水溶液与丙三醇溶液混合,再加入尿素作为沉淀剂,将混合溶液置入高压釜,在110~180℃温度下,反应5~24小时;
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀离心,洗涤,干燥,即得海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的前驱物;
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉250~400℃温度下加热,加热时间为2~4小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球。
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海胆状分级结构四氧化三钴纳米球。所述四氧化三钴为海胆状分级结构,由宽度为20~50nm的一维纳米线组装而成,纳米球的直径约为6~10μm,有着丰富的空隙、大量内部联通的孔道和较大的比表面积,纳米球中钴含量为74.3~74.5%。
本发明的优点和技术效果如下:
该方法制得的海胆状分级结构四氧化三钴纳米球是由宽度为20~50nm的一维纳米线组装而成,纳米球的直径约为6~10μm,该纳米球有着丰富的空隙、大量内部联通的孔道和较大的比表面积,从而拥有许多耦合产生的新的物理化学特性,而且制备过程中没有使用模版和表面活性剂,工艺简单,节约了生产成本,产品纯度高,因而可以广泛应用到电化学、催化、生物传感、磁性材料等领域。
附图说明
图1为实施例1所制得海胆状分级结构四氧化三钴纳米粉体XRD衍射图谱;
图2为实施例1所制得海胆状分级结构四氧化三钴纳米粉体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
(1)合成工序:室温条件下将2.5mmol的氯化钴加入到20ml蒸馏水与20ml丙三醇混合溶液当中,充分溶解;向上述溶液中加入5mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在180℃温度下,反应20小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在3000r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤5次,无水乙醇洗涤5次;真空干燥箱80℃,干燥20小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉350℃温度下加热,加热时间为3.5小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.35~74.45%。
实施例2
(1)合成工序:室温条件下将5mmol的氯化钴加入到35ml蒸馏水与5ml丙三醇混合溶液当中,充分溶解;向上述溶液中加入6.5mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在110℃温度下,反应5小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在6000r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤3次,无水乙醇洗涤5次;真空干燥箱80℃,干燥12小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉300℃温度下加热,加热时间为2小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.32~74.42%。
实施例3
(1)合成工序:室温条件下将3.5mmol的氯化钴加入到30ml蒸馏水与10ml丙三醇混合溶液当中,充分溶解;向上述溶液中加入8mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在180℃温度下,反应24小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在3000r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤5次,无水乙醇洗涤5次;真空干燥箱70℃,干燥12小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉400℃温度下加热,加热时间为4小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.31~74.45%。
实施例4
(1)合成工序:室温条件下将4.5mmol的氯化钴加入到25ml蒸馏水与15ml丙三醇混合溶液当中,充分溶解;向上述溶液中加入8mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在150℃温度下,反应20小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在3000r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤3次,无水乙醇洗涤3次;真空干燥箱80℃,干燥24小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉400℃温度下加热,加热时间为2小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.36~74.48%。
实施例5
(1)合成工序:室温条件下将5mmol的氯化钴加入到20ml蒸馏水与20ml丙三醇混合溶液当中,充分溶解;向上述溶液中加入10mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在140℃温度下,反应12小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在6000r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤3次,无水乙醇洗涤5次;真空干燥箱60℃,干燥24小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉250℃温度下加热,加热时间为4小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.30~74.43%。
实施例6
(1)合成工序:室温条件下将2.5mmol的氯化钴加入到30ml蒸馏水与10ml丙三醇混合溶液当中,充分溶解;向上述溶液中加入5mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在160℃温度下,反应10小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在6000r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤3次,无水乙醇洗涤5次;真空干燥箱60℃,干燥20小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉250℃温度下加热,加热时间为3小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.32~74.44%。
实施例7
(1)合成工序:室温条件下将1.2mmol的氯化钴加入到30ml蒸馏水中,充分溶解,与3ml丙三醇混合;向上述溶液中加入1.65mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在90℃温度下,反应48小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在2500r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤5次,无水乙醇洗涤5次;真空干燥箱60℃,干燥20小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉200℃温度下加热,加热时间为8小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.31~74.47%。
实施例8
(1)合成工序:室温条件下将12mmol的氯化钴加入到20ml蒸馏水中,充分溶解,与32ml丙三醇混合;向上述溶液中加入41.6mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在210℃温度下,反应4小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在7000r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤5次,无水乙醇洗涤5次;真空干燥箱60℃,干燥20小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉450℃温度下加热,加热时间为2小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.32~74.49%。
实施例9
(1)合成工序:室温条件下将8mmol的氯化钴加入到20ml蒸馏水中,充分溶解,与25ml丙三醇混合;向上述溶液中加入4.5mmol尿素作为沉淀剂,充分溶解;将混合溶液置入高压釜,在200℃温度下,反应4.5小时。
(2)离心洗涤工序:将合成的沉淀在7000r/min转速下离心分离;蒸馏水洗涤5次,无水乙醇洗涤5次;真空干燥箱60℃,干燥20小时,即得海胆状分级结构四氧化三钴的前驱物。
(3)煅烧工序:将离心洗涤工序得到的前驱物置于马弗炉230℃温度下加热,加热时间为6小时,冷却至室温,所得黑色粉末即为海胆状分级结构四氧化三钴纳米球,纳米球中钴含量为74.33~74.45%。
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 (7)
1.一种海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)合成工序:以8:1~0.8:1的体积比将氯化钴水溶液与丙三醇溶液混合,再加入尿素作为沉淀剂,将混合溶液置入密封反应器,在110~180℃温度下,反应4.5-48小时,所述氯化钴水溶液浓度为0.08-0.25mol/L,所述尿素的加入量为0.1-0.4mol/L;
(2)除杂工序:将步骤(1)得到的沉淀用蒸馏水和乙醇各洗涤5次,并以2500-7000r/min的转速离心,干燥,即得海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的前驱物;
(3)煅烧工序:在220~420℃下煅烧步骤(2)得到的前驱物2-8小时,获得海胆状分级结构四氧化三钴纳米球。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述氯化钴水溶液与丙三醇的体积比为7:1~1:1。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述尿素的加入量为0.12~0.25mol/L。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述反应时间为5~24小时。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述离心转速为3000~6000r/min。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述煅烧温度为250~400℃。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述煅烧时间为2~4小时。
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"A Facile Hydrothermal Route to Flower-Like Cobalt Hydroxide and Oxide";Li-Xia Yang et al.;《European Journal of Inorganic Chemistry》;20061010;第2006卷(第23期);4787–4792 * |
Li-Xia Yang et al.."A Facile Hydrothermal Route to Flower-Like Cobalt Hydroxide and Oxide".《European Journal of Inorganic Chemistry》.2006,第2006卷(第23期),4787–4792. * |
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Publication number | Publication date |
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CN102887548A (zh) | 2013-01-23 |
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