CN105271440B - 一种纳米四氧化三钴的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种规整八面体纳米四氧化三钴及其制备方法与应用。所述纳米四氧化三钴为微观形貌为规整的八面体形,边长100~200nm;制备方法包括采用溶胶凝胶法先制备出前驱体,然后在不同温度下进行两次焙烧,获得具有规整八面体形貌的纳米四氧化三钴粉体。该纳米四氧化三钴粉体对1,2,4‑三氯苯的降解效果好、用量少。本发明方法简单、高效、节能、无污染,得到的纳米四氧化三钴形貌规整,分散性好,适合批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种八面体纳米四氧化三钴的制备方法及应用,属于无机纳米材料领域。
背景技术
1,2,4-三氯苯(1,2,4-TrCB),常用做溶剂、润滑剂、除草剂、导热剂等,是环境中普遍存在的一种持久性有机污染物,给生态环境和人类健康带来极大的危害和影响。因此,研发功能材料用于有效处理、降解这类氯代芳烃是本领域的主要研究课题。
纳米材料由于具有表面与界面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应而表现出特殊的物理、化学性质,已得到广泛应用。目前,利用纳米材料来降解1,2,4-三氯苯的文献已有报道。例如,张伟、施周等采用碳纳米管负载TiO2复合材料对1,2,4-三氯苯进行光降解研究,参见张伟,施周,张茜等.碳纳米管负载TiO2对1,2,4-三氯苯的光降解研究.环境科学,2011,32(7):1974-1979。这种碳纳米管上负载TiO2复合材料进行1,2,4-三氯苯的光催化降解成本较高,降解效率不高。
四氧化三钴(Co3O4)作为一种重要的金属氧化物陶瓷材料,广泛应用于催化剂、气敏传感器、锂离子电池负极材料等领域。也有将纳米氧化钴用于降解1,2,4-三氯苯的相关研究公开,例如,林世静等人将四水醋酸钴[Co(Ac)2·4H2O]和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合,溶于乙二醇溶剂中,在氮气保护下,于170℃反应不同的时间。得到的沉淀物经过洗涤、干燥,置于400℃烘箱中焙烧2h,得到具有球形、圆盘形、线状和卷心菜形的四种形貌的四氧化三钴微纳米材料,以1,2,4-三氯苯为目标化合物,研究这四种不同形貌特征的四氧化三钴对1,2,4-三氯苯的降解影响,其研究报告指出,卷心菜形貌的四氧化三钴表现出较高的催化活性,参见Shijing Lin,Guijin Su,Minghui Zheng et.al.The degradation of 1,2,4-trichlorobenzene using synthesized Co3O4and the hypothesizedmechanism.Journal of Hazardous Materials,192(2011)1697–1704.。但是该文献报道的四氧化三钴微纳米材料制备条件苛刻,需要在氮气保护下进行反应,不适于工业生产;且在300℃、降解反应60min条件下使用的四氧化三钴的最少用量为200mg。用量较大。
目前采用不同的合成技术已制备出各种不同形貌的纳米氧化钴,例如线状、片状、花瓣状、八面体等。CN 104495956A公开了一种通过改变阴离子实现四氧化三钴形貌可控的制备方法,首先,将钴盐、尿素以及十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)按照一定比例溶于水中,然后,在水热釜中进行水热反应,最后经过陈化、过滤以及煅烧得到不同形貌的四氧化三钴产物。仅改变钴盐的阴离子可以得到海胆状、线状、花瓣状以及片状的四氧化三钴。专利文件CN104098145A提供了溶剂热法制备四氧化三钴的制备方法。现有氧化钴合成技术中最为典型的有水热法、溶剂热法、沉淀法和固相热解法。水热法得到的Co3O4产品量少,且耗时长;溶剂热法制备Co3O4对反应设备要求高,产率较低,纯度及产品形貌不理想。沉淀法和固相热解法制备Co3O4工艺复杂,生产成本高。以上制备方法有的是可以制备纳米级的氧化钴,有的只能制备微米级的氧化钴。
CN 102491431 A(201110378491.X)公开了一种微波一步法制备微米级八面体四氧化三钴的方法,是将钴盐和硫脲按一定比例混合,溶于定量的乙二醇中,再加入适量的吸波碳材料(如碳纳米管、活性炭、石墨、石墨烯、富勒烯等),分散均匀,在一定的微波条件下反应一定时间,洗涤,过滤,干燥即得。该方法制备的四氧化三钴是立方晶相,其XRD谱峰与标准卡片PDF#42-1467一致。该微波制备方法反应时间短,但工艺设备复杂,同时还需要加入吸波碳材料,增加了生产成本,且制备的八面体四氧化三钴在微米级范围,边长约1μm。没有进行降解或其他性质测试;无法确认其对1,2,4-三氯苯的降解情况。
综上,纳米氧化钴材料的形貌与其降解1,2,4-三氯苯的性能密切相关,由于纳米材料的制备方法将直接影响到材料的微结构,进而影响材料的性能,因此对于材料制备方法的研发也十分重要,而对于特定形貌纳米氧化钴材料降解性能研究也一直是本领域人员探索的热点。现有的纳米氧化钴材料制备方法中,由于实验条件控制不好无法得到规整八面体纳米氧化钴、或者工艺复杂、生产成本高不适于工业生产、或者用量较多,降解率不高,难以满足实际应用的需要。为了弥补上述不足,提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种具有特殊形貌的规整八面体纳米四氧化三钴及其制备方法与应用。
本发明的技术方案如下:
一种用于降解1,2,4-三氯苯的纳米四氧化三钴,其特征在于微观形貌为规整的八面体形,边长100~200nm,具有全立方相晶体结构。
所述纳米四氧化三钴的XRD谱图如图1所示,在2θ=19.000,31.271,36.845,38.546,44.808,55.655,59.353,65.231有特征峰。
本发明上述特殊形貌的纳米四氧化三钴对持久性有机污染物1,2,4-三氯苯具有较好的降解脱氯效果。
本发明上述特殊形貌的纳米四氧化三钴,是采用溶胶凝胶法先制备出四氧化三钴前驱体,然后分别在200-220℃、600-620℃不同温度下进行两次焙烧获得的纳米四氧化三钴粉体。
更为详细的,本发明的特殊形貌的纳米四氧化三钴是采用以下方法合成制备的。
一种规整八面体纳米四氧化三钴的制备方法,包括采用溶胶凝胶法结合二次焙烧获得具有规整八面体形貌的纳米四氧化三钴粉体;步骤如下:
(1)溶胶凝胶法制备出四氧化三钴前驱体
按六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)与一水柠檬酸(C6H8O7·H2O)摩尔比1:(3~3.8),将六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)与一水柠檬酸溶于乙醇中,加入蒸馏水,所述乙醇用量为8-12mL/每摩尔六水合氯化钴,所述蒸馏水用量与乙醇的体积比(2-3):10,室温下搅拌20-30min,静置5-6h,置于55~65℃烘箱中干燥48-50h,得四氧化三钴前驱体。
(2)二次焙烧法制备纳米四氧化三钴粉体
将步骤(1)制得的纳米四氧化三钴前驱体置于200℃马弗炉中焙烧2h后,冷至室温,研细后,再次置于600℃马弗炉中焙烧2h,获得纳米四氧化三钴粉体。
本发明方法制备的纳米四氧化三钴为立方相,与标准卡片(PDF#43-1003)一致,产品纯度高,结晶度好。微观形貌为规整的八面体形,边长约100~200nm。参见图1、图2。
术语解释:标准卡片PDF#43-1003,是来自国际通用的XRD粉末衍射测试数据库,用于晶体结构分析比对。
根据本发明优选的,步骤(1)中所述六水合氯化钴与一水柠檬酸摩尔比1:3.5。
根据本发明优选的,步骤(1)中所述蒸馏水为二次蒸馏水。所述蒸馏水与乙醇的体积比为2.5:10。
根据本发明优选的,步骤(1)所述烘箱温度为60℃干燥48h。
根据本发明优选的,步骤(2)中,第一次焙烧的产品自然冷却到室温,研磨后再进行第二次焙烧。自然冷却可避免骤冷造成的晶体内部缺陷,有益于晶体内部排列整齐;研磨可使得因为焙烧凝结成块的颗粒变细小,有利于第二次粉体的均匀焙烧。
本发明所述的纳米四氧化三钴的应用,用于降解有机污染物1,2,4-三氯苯。
根据上述纳米四氧化三钴的应用,降解1,2,4-三氯苯的温度为200-400℃,纳米四氧化三钴用量为50mg-300mg/1.5μL的1.2.4-三氯苯,降解反应时间为10-70min。优选的,降解1,2,4-三氯苯的温度为300℃,纳米四氧化三钴用量为175mg/1.5μL的1.2.4-三氯苯,降解反应时间为60min。
纳米四氧化三钴降解1,2,4-三氯苯的实验
1、实验方法:
量取1.5uL的1,2,4-三氯苯,与一定量的Co3O4纳米粉体混合后,放入10mL玻璃管内,用酒精喷灯封住玻璃管口,置于马弗炉中在一定温度下反应。反应结束后,取出样品管,冷却到室温,将内部反应产物转移至盛有15mL正己烷的烧杯中进行萃取。静置后,取上层清液收集于100mL容量瓶中,以正己烷定容,取样进行气相色谱-质谱分析。使用的仪器型号为HP 6890/5973气相色谱-质谱联用仪。
2、降解率计算公式为:
DE=(1–RTrCB/ITrCB)×100%
式中,RTrCB为反应后剩余1,2,4-三氯苯的物质的量;ITrCB为反应初始使用的1,2,4-三氯苯的物质的量。
以降解率为纵坐标,依次以反应温度、反应时间、Co3O4纳米粉体用量为横坐标作图。可考察Co3O4纳米粉体对1,2,4-三氯苯的降解率与反应温度、反应时间、纳米Co3O4用量的关系。
本发明制备的纳米Co3O4具有以下优点:
1、本发明方法先采用溶胶凝胶法制备Co3O4前驱体,水与乙醇的体积比控制在2-3:10,通过调节水与乙醇的比例,实现对产品纳米Co3O4尺寸和形貌的调控。
2、本发明方法采用2次焙烧方式处理Co3O4前驱体。第一次在较低温度下焙烧,除去Co3O4前驱体表面的残余物和吸附的水分;第二次在较高温度下焙烧,促使Co3O4晶体内部质点的排列紧密,形成均匀分散、规整的八面体形貌。
3、本发明方法所制得的纳米Co3O4为立方晶相,纯度高,结晶度好。
4、本发明方法无微波辐射污染,前期为液相反应,反应平和,后期为煅烧,整个制备过程的安全性高且能耗较低,反应容器大小根据需要可扩大;本发明方法工艺简单,对设备要求低,原料易得,价格便宜,有利于批量生产。
5、本发明制备的纳米Co3O4除对氯代芳烃这类有机污染物具有较高的降解效果外,还可应用于其他催化反应,以及气敏传感器、锂离子电池负极材料等领域。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的纳米四氧化三钴的XRD谱图;纵坐标是强度;任意单位;横坐标是2θ,单位:度。
图2是本发明实施例1制备的纳米四氧化三钴的SEM照片。
图3是本发明实施例1制备的纳米四氧化三钴对1,2,4-三氯苯的降解率与反应温度关系图。
图4是本发明实施例1制备的纳米四氧化三钴对1,2,4-三氯苯的降解率与反应时间关系图。
图5是本发明实施例1制备的纳米四氧化三钴对1,2,4-三氯苯的降解率与纳米Co3O4用量关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但不限于此。
实施例1:
1)称取1.1897g CoCl2·6H2O和3.6781g一水柠檬酸溶于10mL乙醇中。
2)用滴管向步骤1)所得溶液中,滴加2.5mL二次蒸馏水,室温下搅拌30min。静置6h后,置于60℃烘箱中干燥48h,得到四氧化三钴前驱体。
3)将步骤2)所制的四氧化三钴前驱体置于200℃马弗炉中焙烧2h,取出研细后,再次置于600℃马弗炉中焙烧2h,得到四氧化三钴纳米粉体。
制备的纳米四氧化三钴为立方晶相,形貌为八面体形,边长为160~180nm。所得产品的XRD谱图如图1所示,SEM照片如图2所示。
所制备的八面体纳米四氧化三钴进行降解1,2,4-三氯苯的实验,试验方法如前所述。以降解率为纵坐标,依次以反应温度、反应时间、Co3O4纳米粉体用量为横坐标作图。所得结果如图3、图4、图5所示。由图3-5可知,最优选的条件是:降解温度为300℃,降解反应时间为60min,纳米四氧化三钴用量为175mg/1.5μL的1.2.4-三氯苯。
实施例2:
1)称取1.1897g CoCl2·6H2O和3.9965g一水柠檬酸溶于10mL乙醇中。
2)用滴管向步骤1)所得溶液中,滴加3mL二次蒸馏水,室温下搅拌25min。静置6h后,置于65℃烘箱中干燥48h,得到四氧化三钴前驱体。
3)将步骤2)所制的四氧化三钴前驱体置于210℃马弗炉中焙烧2h,取出研细后,再次置于600℃马弗炉中焙烧2h,得到四氧化三钴纳米粉体。
制备的纳米四氧化三钴为立方晶相,形貌为八面体形,边长为110~120nm。
实施例3:
1)称取1.1897g CoCl2·6H2O和3.1521g一水柠檬酸溶于10mL乙醇中。
2)用滴管向步骤1)所得溶液中,滴加2mL二次蒸馏水,室温下搅拌20min。静置7h后,置于55℃烘箱中干燥50h,得到四氧化三钴前驱体。
3)将步骤2)所制的四氧化三钴前驱体置于220℃马弗炉中焙烧2h,取出研细后,再次置于610℃马弗炉中焙烧2h,得到四氧化三钴纳米粉体。
制备的纳米四氧化三钴为立方晶相,形貌为八面体形,边长为170~190nm。
Claims (6)
1.一种纳米四氧化三钴的制备方法,包括采用溶胶凝胶法结合二次焙烧获得具有规整八面体形貌的纳米四氧化三钴粉体;步骤如下:
(1)溶胶凝胶法制备出四氧化三钴前驱体
按六水合氯化钴CoCl2 · 6H2O与一水柠檬酸C6H8O7· H2O摩尔比1:(3~3.8),将六水合氯化钴CoCl2 · 6H2O与一水柠檬酸溶于乙醇中,加入蒸馏水,所述乙醇用量为8-12mL/每摩尔六水合氯化钴,所述蒸馏水用量与乙醇的体积比为(2-3):10,室温下搅拌20-30min,静置5-6h,置于55~65℃烘箱中干燥48-50h,得四氧化三钴前驱体;
(2)二次焙烧法制备纳米四氧化三钴粉体
将步骤(1)制得的纳米四氧化三钴前驱体置于200℃马弗炉中焙烧2h后,冷至室温,研细后,再次置于600℃马弗炉中焙烧2h,获得规整八面体纳米四氧化三钴粉体。
2.如权利要求1所述的纳米四氧化三钴的制备方法,其特征在于步骤(1)中所述六水合氯化钴与一水柠檬酸摩尔比1 : 3.5。
3.如权利要求1所述的纳米四氧化三钴的制备方法,其特征在于步骤(1)中所述蒸馏水为二次蒸馏水。
4.如权利要求1所述的纳米四氧化三钴的制备方法,其特征在于所述蒸馏水与乙醇的体积比为2.5 : 10。
5.如权利要求1所述的纳米四氧化三钴的制备方法,其特征在于步骤(1)所述烘箱温度为60℃,干燥48h。
6.如权利要求1所述的纳米四氧化三钴的制备方法,其特征在于步骤(2)中,第一次焙烧的产品自然冷却到室温,研磨后再进行第二次焙烧。
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