CN104843804A - 一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法 - Google Patents

一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于新材料、新能源及半导体领域，特别涉及一种碳包覆氧化钴(CoO、Co2O3或Co3O4)及其简单可控制备方法。包括如下步骤：称取可溶性的钴盐、有机燃料及燃烧助剂，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液；将溶液加热到50-100℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态；将凝胶加热到140-290℃，凝胶发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末，将所得粉末加入到溶剂中清洗干燥，即得高纯目标材料。本发明工艺简单容易操作，原料廉价易得，所制备的氧化钴结晶质量高，而且黑色的碳增强了其导电能力，将在高效光催化、太阳能电池、锂离子电池、超级电容器等等领域中得到应用。本发明的工艺成本低，避免了通常的多步复杂工艺、工艺周期长或昂贵设备等，适合工业化大规模生产。

Description

一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法
技术领域
本发明属于新材料、新能源及半导体领域，特别涉及一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法，在磁性材料、催化、锂离子电池、太阳能电池等多个领域有重要应用前景。
背景技术
氧化钴(CoO、Co2O3或Co3O4)具有优异的光电磁性能和催化性能，成为无机材料领域中的研究热点。氧化钴是一种重要的无机功能材料，铁元素的储量非常丰富，价格低廉，生物毒性也很低，在磁记录、磁流体、催化、生物医药等领域有着广泛的潜在应用前景。
目前制备氧化钴材料的方法多种多样。单就氧化钴粉末的制备方法就包括固相法、液相法和气相法三大类。近年来，液相方法日益引起了广泛的关注和迅速的发展，例如溶胶-凝胶法、沉淀法、水热法、喷雾热解法等。例如，公开号为CN103632856A的中国发明专利公开了一种一氧化钴/碳纳米结构阵列：在95℃水热条件下，以镍网为基底，生长得到一氧化钴纳米线阵列的前驱体，在退火得到一氧化钴阵列的同时，通过化学气相沉积技术，在一氧化钴的表面生长了一层结晶性好的石墨碳层。公开号为CN103359796A的中国发明专利公开了一种超级电容器氧化钴电极材料的制备方法：以泡沫镍为基底，硝酸钴和表面活性剂为原料，以乙醇或异丙醇作为溶剂，通过溶剂热法制备氧化钴电极材料。公开号为CN104003454A的中国发明专利公开了一种多孔氧化钴纳米线的制备方法：将可溶性无机钴盐、无机氟盐、碱源与水混匀后进行水热反应，反应完毕后收集絮状沉淀进行煅烧，得到所述四氧化三钴纳米线。
但是，这些方法通常需要昂贵的仪器、严格的实验条件、和/或者较长的反应时间。因此，寻找一种低成本、简易、高效的制备技术，对于氧化钴材料在各种领域的大规模应用是极为重要和迫切的。而且，碳材料比表面积极大，电导率高，和其他材料相容性好，与氧化钴复合可以实现优势互补。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法，可以在空气中低温燃烧制备碳包覆氧化钴的方法，实现碳包覆氧化钴的简易高效制备，更易于大规模生产和应用。本发明的创新点主要在于：1. 发展了新的低温燃烧方法单步合成高度结晶的氧化钴；2. 通过简单改变工艺参数，可以控制合成不同晶相的氧化钴；3. 合成的氧化钴表面包覆一层碳。
本发明的技术方案，具体包括以下步骤：
(1) 称取可溶性的钴盐、有机燃料及燃烧助剂，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。
( 2) 将溶液加热到50-100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。
(3) 将凝胶加热到140-290 ℃，凝胶发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。
(4)将所得粉末加入到溶剂中清洗干燥，即得高纯目标材料。
本发明所述制备方法的步骤(1)中，所述的可溶性的钴盐为硝酸钴、氯化钴、硫酸钴、硫酸亚钴或氯化亚钴中的一种或两种以上。
本发明所述制备方法的步骤(1)中，所述的有机燃料为柠檬酸、廿氨酸或尿素中的一种或两种以上，所加有机燃料的摩尔数为钴离子摩尔数的0.4-0.9倍。
本发明所述制备方法的步骤(1)中，所述的燃烧助剂为硝酸铵，所加硝酸按的摩尔数为钴离子摩尔数的0. 001-1倍。
本发明所述制备方法的步骤(3)中，所述的凝胶也可通过明火或微波引燃，再发生自蔓延燃烧。
本发明所述制备方法的步骤(4)中，所述的清洗溶剂为去离子水、乙醇、丙醇、丙酮等的一种或两种以上。
本发明的有益效果是：本发明工艺简单容易操作，原料廉价易得，所制备的碳包覆氧化钴结晶质量高，并且表面包覆一层碳，有望在高效光催化等领域应用；而且黑色的碳增强了其导电能力，将在锂离子电池、超级电容器等器件中得到应用。通过本发明的工艺可以避免通常的多步复杂工艺、工艺周期长或昂贵设备等，成本低，适合工业化大规模生产。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为实施例之一的碳包覆氧化钴的X-射线衍射图谱，由图可确证这是面心立方结构CoO。
附图2是实施例之一的碳包覆氧化钴的扫描电子显微镜照片，由图可确证这是立方尖晶石结构Co3O4。
附图3是实施例之一的碳包覆氧化钴的X射线能谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
分别称取1.5 g硝酸钴、0.7 g柠檬酸及0.01 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到80 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到140 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到乙醇中清洗，干燥即得。
实施例2：
分别称取1.5 g硝酸钴、1 g柠檬酸及0.1 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到200 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到乙醇中清洗，干燥即得。
实施例3：
分别称取0.7 g氯化钴、0.4 g甘氨酸及0.4 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到50 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到290 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到去离子水中清洗，干燥即得。
实施例4：
分别称取0.8 g硫酸钴、0.3 g尿素及0.2 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到200 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到乙醇中清洗，干燥即得。
实施例5：
分别称取0.7 g氯化钴、0.2 g甘氨酸及0.8 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到50 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到290 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到去离子水中清洗，干燥即得。
上述实施例结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的对本发明的各种修改或变形，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种碳包覆氧化钴（CoO、Co2O3或Co3O4）及其简单可控制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1) 称取可溶性的钴盐、有机燃料及燃烧助剂，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液；( 2) 将溶液加热到50-100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态；(3) 将凝胶加热到140-290 ℃，凝胶发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末；(4) 将所得粉末加入到溶剂中清洗干燥，即得高纯目标材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法，其特征在于：所述的可溶性的锌盐为硝酸钴、氯化钴、硫酸钴、硫酸亚钴或氯化亚钴中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法，其特征在于：所述的有机燃料为柠檬酸、甘氨酸或尿素中的一种或两种以上，所加有机燃料的摩尔数为钴离子摩尔数的0.4-0.9倍。
4.根据权利要求1所述的一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法，其特征在于：所述的燃烧助剂为硝酸铵，所加硝酸按的摩尔数为钴离子摩尔数的0. 001-1倍。
5.根据权利要求1所述的一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法，其特征在于：所述的凝胶也可通过明火或微波引燃，再发生自蔓延燃烧。
6.根据权利要求1所述的一种碳包覆氧化钴及其简单可控制备方法，其特征在于：所述的清洗溶剂为去离子水、乙醇、丙醇、丙酮等的一种或两种以上。
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