CN105460913A - 磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法 - Google Patents

磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法 Download PDF

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董博华
席耀宁
曹立新
苏革
高荣杰
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Abstract

本发明公开了一种利用两相界面法制备磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法。通过调控反应时间控制由磷酸钴超小纳米盘组装成超薄纳米片再向超细纳米线的转换。本发明制备方法工艺简单、易操作、原料易得、成本低廉、环境友好，整个反应过程不需要特殊设备，利于工业化生产，最终得到比电容在电流密度为2？A/g时可达到1174？F/g的具有优良赝电容器性能的超细纳米线纳米材料。本发明制备的材料是一种具有广泛商业化应用前景的理想超级电容器材料。

Description

磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法
技术领域
本发明涉及一种超小、超薄、超细纳米材料，具体讲磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法。
背景技术
研究表明，除了材料中原子的成分和排列以外，维度也在决定材料基础性质上起到了决定性作用。这一点已经被二维材料石墨烯高度的表现出来，石墨烯作为一种具有优异电学、力学性能的二维材料，其优良的导电性源于其超高的电子迁移率，其优异的力学性能源于其晶格中规则排列的碳原子形成的SP2杂化。石墨烯为代表的二维纳米材料引起了科学界对二维材料的高度重视，探索新型的性能更加优异的超薄纳米材料如过渡金属硫化物（MSe2）过渡金属氢氧化物（Ni(OH)2，Co(OH)2）成为了科研热点。无定型材料因其无长程稳定性、各向同性、物理、化学性质随温度变化的连续性和可逆性逐渐成为新的科研热点，但是二维超薄无定型材料目前还属于较新的研究领域，能否研制出具有类似于石墨烯优良性能的二维无定型材料已经成为科学界的一个挑战。磷酸钴本体材料具有优良的力学性能和电学性能，可作为光催化产氧的催化剂，结晶性比较好的本体磷酸钴制成的超级电容器所具有的比电容通常在500-600F/g，而本专利所制备的磷酸钴超薄纳米片具有250F/g左右的比电容，所制备的磷酸钴超细纳米线更是具有约1200F/g的比电容。其优异的电容器性能可以在各类电子元件或传感器中得到良好的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，该方法能做到仅通过调控反应时间控制由磷酸钴超小纳米盘组装成超薄纳米片再向超细纳米线的转换，最终得到具有优良赝电容器性能的超细纳米线纳米材料。
磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，其特征在于将碱金属磷酸盐水溶液与硝酸钴有机溶液混合，混合后在一定温度保温一定时间。控制不同保温时间,可以分别得到磷酸钴超小纳米盘、磷酸钴超薄纳米片和磷酸钴超细纳米线。三者是纳米盘组装成纳米片,纳米片劈裂成纳米线的关系。
本发明的优点在于通过简单水-有机溶剂界面反应方法、仅通过控制保温时间就可制备出磷酸钴超小纳米盘、超薄纳米片和超细纳米线。磷酸钴超细纳米线的比电容在电流密度为2A/g时可达到1174F/g。
具体实施方式
操作时首先称取一定量的碱金属磷酸盐，溶解于去离子水中，形成0.01mol/L至0.54mol/L水溶液。再称取一定量六水硝酸钴，加入有机溶液，形成0.01-1mol/L硝酸钴有机溶液。然后将两溶液混合并以0.1oC/min至20oC/min的速度升温至80-300oC保温。控制保温时间0-5小时可得到磷酸钴超小纳米盘，控制保温时间5-12小时可得到磷酸钴超薄纳米片，控制保温时间12-144小时可得到磷酸钴超细纳米线。收集磷酸钴超小纳米盘的方法是：将丙酮加入产物混合溶液中，转移至离心管离心，得到沉淀产物，继续用丙酮洗涤3-5次，最后在0oC至100oC下干燥一定时间。收集磷酸钴超薄纳米片与超细纳米线的方法是，将环己烷加入产物混合溶液中，转移至离心管中离心，离心之后离心管中物质会分3层，取中间层兰紫色物质，用环己烷再洗涤3-5次，最后在0oC至100oC干燥一定时间。
附图说明：
图1:180oC保温1分钟时制备的磷酸钴超小纳米盘，尺寸为：宽约7nm，长15-40nm，厚约2nm；
图2：180oC保温5小时时制备的磷酸钴超薄纳米片，尺寸为：宽500-1000nm，长500-2000nm，厚约2nm；
图3：180oC保温144小时时制备的磷酸钴超细纳米线，尺寸为：直径约2nm，长度大于1μm；
图4：180oC保温144小时时制备的磷酸钴超细纳米线的伏安特性曲线(图a)、充放电曲线(图b)、比电容计算结果（图c），其比电容在电流密度为2A/g时可达到1174F/g。
实施例1。
操作时，首先称取3mmolNaH2PO4·2H2O，室温溶于10ml去离子水中，形成浓度为0.3mol/L的磷酸二氢钠水溶液。然后称取2mmolCo(NO3)2·6H2O，加入3ml油胺，再加入10ml十八烯，40oC搅拌20分钟，超声10分钟，再40oC搅拌5分钟，形成浓度为0.154mol/L硝酸钴有机溶液。将溶解好的两溶液混合后转移至100ml水热釜中，封闭加热，从室温开始以5oC/min速度升温至180oC，保温1分钟，然后用室温水使水热釜迅速冷却，停止反应。将产物倒入50ml离心管中，加入25ml丙酮，在5000rpm下离心3分钟，沉淀产物用丙酮洗涤3次，之后在80oC下烘干500分钟，即可得到磷酸钴超小纳米盘(图1)。
实施例2。
按照实施例1的条件，仅延长保温时间至5小时，然后用室温水使水热釜迅速冷却，停止反应。将产物倒入50ml离心管中，加入25ml环己烷，在5000rpm下离心3分钟，物质在离心管中分为3层，取中间层兰紫色物质，用环己烷再洗涤3次，之后将沉淀在80oC下烘干500分钟，即可得到磷酸钴超薄纳米片(图2)。
实施例3。
按照实施例2的条件，仅延长反应时间至144小时即可得到磷酸钴超细纳米线(图3)。该超细纳米线的比电容在电流密度为2A/g时可达到1174F/g(图4)。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，其特征在于：操作时首先称取一定量的碱金属磷酸盐，溶解于去离子水中，形成0.01mol/L至0.54mol/L水溶液，再称取一定量硝酸钴，加入有机溶液，形成0.01-1mol/L硝酸钴有机溶液，然后将两溶液混合并以0.1oC/min至20oC/min的速度升温至80-300oC保温，控制保温时间0-5小时可得到磷酸钴超小纳米盘，控制保温时间5-12小时可得到磷酸钴超薄纳米片，控制保温时间12-144小时可得到磷酸钴超细纳米线，收集磷酸钴超小纳米盘的方法是：将丙酮加入产物混合溶液中，转移至离心管离心，得到沉淀产物，继续用丙酮洗涤3-5次，最后在0oC至100oC下干燥一定时间，收集磷酸钴超薄纳米片与超细纳米线的方法是，将环己烷加入产物混合溶液中，转移至离心管中离心，离心之后离心管中物质会分3层，取中间层兰紫色物质，用环己烷再洗涤3-5次，最后在0oC至100oC干燥一定时间。
2.根据权利要求1所述的磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，其特征在于碱金属磷酸盐主要是钠、钾等元素的磷酸盐、磷酸一氢盐、磷酸二氢盐或多磷酸盐；碱金属磷酸盐水溶液浓度介于0.01mol/L至0.54mol/L之间。
3.根据权利要求1所述的磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，其特征在于硝酸钴为硝酸钴和水合硝酸钴，能溶解在有机溶液中，在有机溶液中的浓度介于0.1mol/L至1mol/L。
4.根据权利要求1所述的磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，其特征在于硝酸钴溶解的有机溶液为有机胺和十八烯的混合溶液，有机胺与十八烯的体积比介于0.1与1之间，其中有机胺包括油胺、十八胺、十四胺、正辛胺等长链胺。
5.根据权利要求1所述的磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，其特征在于升温速度为0.1oC/min至20oC/min，保温温度为80-300oC。
6.根据权利要求1所述的磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，其特征在于控制保温时间0-5小时可得到磷酸钴超小纳米盘，控制保温时间5-12小时可得到磷酸钴超薄纳米片，控制保温时间12-144小时可得到磷酸钴超细纳米线。
7.根据权利要求1所述的磷酸钴超小纳米盘，超薄纳米片，超细纳米线制备方法，其特征在于所述的磷酸钴超小纳米盘、超薄纳米片和超细纳米线需用丙酮、环己烷等有机溶剂洗涤。
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