CN105858733A - 多孔分级结构四氧化三钴纳米花及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔分级结构四氧化三钴纳米花及其制备方法。纳米花由众多的剑形花瓣组成，其中，剑形花瓣的瓣长为100～1000nm、瓣宽为100～200nm、瓣厚为10～50nm，剑形花瓣由粒径为10～50nm的四氧化三钴纳米颗粒构成；制备方法为先将钴盐、尿素和水混合，得到混合液，再将混合液置于60～95℃下反应至少1h，得到含有沉淀物的反应液，之后，先对含有沉淀物的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理，得到中间产物，再将中间产物置于350～450℃下退火至少1h，制得目的产物。它易于与外界充分接触，可广泛地应用于电化学、生物传感、催化、磁性材料等领域。

Description

多孔分级结构四氧化三钴纳米花及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米花及制备方法，尤其是一种多孔分级结构四氧化三钴纳米花及其制备方法。
背景技术
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、催化、磁性材料等领域的广泛应用，已经引起了人们的极大关注。分级多孔四氧化三钴，不但具有纳米尺度所具有的独特性能，而且拥有许多耦合而产生的新的物理化学特性，因此，人们为了获得它，做出了各种不懈的努力，如中国发明专利申请CN 102887548 A于2013年1月23日公布的一种海胆状分级结构四氧化三钴纳米球及其制备方法。该发明专利申请中记载的产物为由宽度为20～50nm的一维纳米线组装成直径6～10μm的海胆状球；其制备方法为先将氯化钴水溶液与丙三醇混合后，加入作为沉淀剂的尿素，得到混合溶液，再将混合溶液置于密封反应器中，在90～210℃下反应至少4小时，之后，经过离心清洗、煅烧后获得海胆状分级结构四氧化三钴纳米球。这种产物虽也有着较大的比表面积，却和其制备方法均存在着欠缺之处，首先，产物的球径偏大，且构成纳米球的一维纳米线的间距过小，影响了其与外界的充分接触；其次，制备方法既难以获得更高比表面积的产物，又因采用水和丙三醇作为溶剂，使反应体系不够稳定，还有着反应温度偏高、时间过长，需使用密封反应器，使生产成本难以降低之缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种易于与外界充分接触的多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述多孔分级结构四氧化三钴纳米花的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：多孔分级结构四氧化三钴纳米花由四氧化三钴组成，特别是，
所述四氧化三钴为纳米花状，其由众多的剑形花瓣组成；
所述组成纳米花状四氧化三钴的剑形花瓣的瓣长为100～1000nm、瓣宽为100～200nm、瓣厚为10～50nm；
所述剑形花瓣由四氧化三钴纳米颗粒构成，所述纳米颗粒的粒径为10～50nm。
作为多孔分级结构四氧化三钴纳米花的进一步改进：
优选地，剑形花瓣的剑尖夹角≤45°。
优选地，四氧化三钴纳米花的比表面积≥200m2/g。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述多孔分级结构四氧化三钴纳米花的制备方法包括溶剂热法，特别是完成步骤如下：
步骤1，先按照钴盐、尿素和水的重量比为0.15～0.3:0.3：40的比例将三者混合，得到混合液，再将混合液置于60～95℃下反应至少1h，得到含有沉淀物的反应液；
步骤2，先对含有沉淀物的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理，得到中间产物，再将中间产物置于350～450℃下退火至少1h，制得多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
作为多孔分级结构四氧化三钴纳米花的制备方法的进一步改进：
优选地，钴盐为硝酸钴，或硫酸钴，或氯化钴。
优选地，固液分离处理为离心分离，其转速为3000～10000r/min、时间为2～10min。
优选地，洗涤处理为使用去离子水或乙醇对分离得到的固态物进行2～3次的清洗，清洗时分离固态物为离心分离。
优选地，干燥处理为将清洗后的固态物置于40～80℃下烘2～12h。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，对制得的目的产物分别使用扫描电镜、X射线衍射仪和比表面与孔隙率分析仪进行表征，由其结果可知，目的产物的形貌为纳米花状，其由众多的剑形花瓣组成；其中，剑形花瓣的瓣长为100～1000nm、瓣宽为100～200nm、瓣厚为10～50nm，剑形花瓣由粒径为10～50nm的纳米颗粒构成，剑形花瓣的剑尖夹角≤45°。目的产物的成分为四氧化三钴。四氧化三钴纳米花的比表面积≥200m2/g。这种由众多的由四氧化三钴纳米颗粒构成的剑形花瓣组装成的目的产物，既由于四氧化三钴具有的独特的物理化学特性，又因剑形花瓣由四氧化三钴纳米颗粒构成，还由于纳米花由众多的剑形花瓣组成，而不仅使目的产物仍既具有纳米尺度物质单元的许多特性，又具有许多纳米尺度的物质单元耦合所产生的新物理化学特性，还极易于与外界充分的接触，使其的新物理化学特性能得到充分的发挥。
其二，制备方法简单、科学、高效。不仅制得了易于与外界充分接触的目的产物——多孔分级结构四氧化三钴纳米花，还使其具有了更高的比表面积，更因不需使用丙三醇作为溶剂而降低了材料成本，以及大大地减少了反应的时间和不再需要密封反应器——高压反应釜而极大地降低了生产的成本，为规模化商业应用目的产物奠定了良好的基础，使目的产物极易于广泛地应用于电化学、生物传感、催化、磁性材料等领域。
附图说明
图1是对制备方法制得的目的产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。SEM图像显示出了目的产物的形貌为由众多的剑形花瓣组成的纳米花。
图2是对制得的目的产物使用X射线衍射(XRD)仪进行表征的结果之一。XRD谱图证实了目的产物的成分为四氧化三钴。
图3是对制得的目的产物使用比表面与孔隙率分析仪进行表征的结果之一。此结果——氮气吸附-脱附等温曲线图表明目的产物的比表面积≥200m2/g。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
首先从市场购得或自行制得：
作为钴盐的硝酸钴、硫酸钴和氯化钴；尿素；水；去离子水；乙醇。
接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照钴盐、尿素和水的重量比为0.15:0.3：40的比例将三者混合；其中，钴盐为硝酸钴，得到混合液。再将混合液置于60℃下反应8h，得到含有沉淀物的反应液。
步骤2，先对含有沉淀物的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为3000r/min、时间为10min，洗涤处理为使用去离子水(或乙醇)对分离得到的固态物进行2次的清洗，清洗时分离固态物为离心分离，干燥处理为将清洗后的固态物置于40℃下烘12h，得到中间产物。再将中间产物置于350℃下退火3h，制得近似于图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照钴盐、尿素和水的重量比为0.188:0.3：40的比例将三者混合；其中，钴盐为硝酸钴，得到混合液。再将混合液置于69℃下反应6h，得到含有沉淀物的反应液。
步骤2，先对含有沉淀物的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为4800r/min、时间为8min，洗涤处理为使用去离子水(或乙醇)对分离得到的固态物进行2次的清洗，清洗时分离固态物为离心分离，干燥处理为将清洗后的固态物置于50℃下烘10h，得到中间产物。再将中间产物置于375℃下退火2.5h，制得近似于图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照钴盐、尿素和水的重量比为0.225:0.3：40的比例将三者混合；其中，钴盐为硝酸钴，得到混合液。再将混合液置于78℃下反应4h，得到含有沉淀物的反应液。
步骤2，先对含有沉淀物的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为6500r/min、时间为6min，洗涤处理为使用去离子水(或乙醇)对分离得到的固态物进行2次的清洗，清洗时分离固态物为离心分离，干燥处理为将清洗后的固态物置于60℃下烘8h，得到中间产物。再将中间产物置于400℃下退火2h，制得如图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照钴盐、尿素和水的重量比为0.263:0.3：40的比例将三者混合；其中，钴盐为硝酸钴，得到混合液。再将混合液置于86℃下反应2h，得到含有沉淀物的反应液。
步骤2，先对含有沉淀物的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为8300r/min、时间为4min，洗涤处理为使用去离子水(或乙醇)对分离得到的固态物进行3次的清洗，清洗时分离固态物为离心分离，干燥处理为将清洗后的固态物置于70℃下烘5h，得到中间产物。再将中间产物置于425℃下退火1.5h，制得近似于图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照钴盐、尿素和水的重量比为0.3:0.3：40的比例将三者混合；其中，钴盐为硝酸钴，得到混合液。再将混合液置于95℃下反应1h，得到含有沉淀物的反应液。
步骤2，先对含有沉淀物的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为10000r/min、时间为2min，洗涤处理为使用去离子水(或乙醇)对分离得到的固态物进行3次的清洗，清洗时分离固态物为离心分离，干燥处理为将清洗后的固态物置于80℃下烘2h，得到中间产物。再将中间产物置于450℃下退火1h，制得近似于图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
再分别选用作为钴盐的硫酸钴或氯化钴，重复上述实施例1～5，同样制得了如或近似于图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的多孔分级结构四氧化三钴纳米花及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种多孔分级结构四氧化三钴纳米花，由四氧化三钴组成，其特征在于：
所述四氧化三钴为纳米花状，其由众多的剑形花瓣组成；
所述组成纳米花状四氧化三钴的剑形花瓣的瓣长为100～1000nm、瓣宽为100～200nm、瓣厚为10～50nm；
所述剑形花瓣由四氧化三钴纳米颗粒构成，所述纳米颗粒的粒径为10～50nm。
2.根据权利要求1所述的多孔分级结构四氧化三钴纳米花，其特征是剑形花瓣的剑尖夹角≤45°。
3.根据权利要求1所述的多孔分级结构四氧化三钴纳米花，其特征是四氧化三钴纳米花的比表面积≥200m2/g。
4.一种权利要求1所述多孔分级结构四氧化三钴纳米花的制备方法，包括溶剂热法，其特征在于完成步骤如下：
步骤1，先按照钴盐、尿素和水的重量比为0.15～0.3:0.3：40的比例将三者混合，得到混合液，再将混合液置于60～95℃下反应至少1h，得到含有沉淀物的反应液；
步骤2，先对含有沉淀物的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理，得到中间产物，再将中间产物置于350～450℃下退火至少1h，制得多孔分级结构四氧化三钴纳米花。
5.根据权利要求4所述的多孔分级结构四氧化三钴纳米花的制备方法，其特征是钴盐为硝酸钴，或硫酸钴，或氯化钴。
6.根据权利要求4所述的多孔分级结构四氧化三钴纳米花的制备方法，其特征是固液分离处理为离心分离，其转速为3000～10000r/min、时间为2～10min。
7.根据权利要求6所述的多孔分级结构四氧化三钴纳米花的制备方法，其特征是洗涤处理为使用去离子水或乙醇对分离得到的固态物进行2～3次的清洗，清洗时分离固态物为离心分离。
8.根据权利要求7所述的多孔分级结构四氧化三钴纳米花的制备方法，其特征是干燥处理为将清洗后的固态物置于40～80℃下烘2～12h。
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