CN107162066B - 一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料及其制备方法和应用,将镍盐溶于乙醇中,将钴盐溶于乙醇和水的混合溶液中,进行超声处理一段时间;其次,将两份溶液混合,搅拌,同时在搅拌过程中加入尿素,并持续搅拌一段时间;以摩尔分数计,镍的掺杂量为0.9%~2.3%。均匀搅拌后,转移至聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应。反应完成后进行洗涤、干燥,即得到一种镍掺杂四氧化三钴纳米花状形貌的复合材料。本发明产物稳定性高,性质稳定,不仅具备四氧化三钴纳米氧化物的优异性能,更在此基础上提高了导电性。该制备方法操作简单,原料成本低廉,反应温度低,并且电化学性质优异,可广泛应用于催化、传感及能量存储等领域。

Description

一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及元素掺杂纳米四氧化三钴花状氧化物的制备领域,具体地说,涉及一种在纳米四氧化三钴中原位掺杂镍元素的复合材料及制备方法,属于纳米复合材料技术领域。
背景技术
近年来,能源危机与环境污染被认为是人类面临的两大危机。可再生能源的持续发展对满足能源需求至关重要,并与人类可持续发展的目标保持一致。因此,高性能的能量转化与存储装置得到迫切的需求与研究。锂离子电池已被广泛应用于能源存储及混合电动工具,但是商业化锂离子电池石墨负极材料已不能满足高能量密度的需求。因此,具有较高理论容量的可替代的负极材料被广泛研究,如碳硅复合材料、多孔碳材料及过渡金属氧化物材料等。过渡金属氧化物纳米材料因具有独特的物理化学性能,因而广泛应用于催化、吸附、能源等领域。
过渡金属氧化物材料,如氧化铜、氧化镍、氧化铁、氧化钛及四氧化三钴等,由于其转化反应发生在锂和过渡金属氧化物之间,具有较高的理论容量,而被广泛用于锂离子电池电极材料的研究。在众多钴氧化物的稳定相中,四氧化三钴因其具有很高的可逆容量、优异的循环性能并且价格低廉,而得到高度关注及广泛研究。纳米材料的形貌对性能的影响至关重要,纳米花状材料不仅可以增加材料的比表面积,进行元素掺杂,更可以可有效提高材料的导电性,从而对电极材料容量及循环性能的提高起到不可磨灭的作用。
本发明将超声化学法、乙醇蒸发诱导合成法和原位掺杂法相结合,将镍掺杂在四氧化三钴纳米氧化物的晶格中,形貌是由纳米片自组装成的纳米花状结构,产物稳定性高,性质稳定,不仅具备四氧化三钴纳米氧化物的优异性能,更在此基础上提高了导电性。该制备方法操作简单,原料成本低廉,反应温度低,并且电化学性质优异,可广泛应用于催化、传感及能量存储等领域。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明公开了一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料及其制备方法,提出一种将超声化学法、乙醇蒸发诱导合成法与原位掺杂法相结合的一种材料制备方法,得到镍掺杂杂四氧化三钴纳米花复合材料。
一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的制备方法,其特征在于,先分别将原料进行超声处理,再将两份溶液混合,搅拌,同时在搅拌过程中加入尿素,并持续搅拌一段时间,其特征在于,该方法的具体步骤为:
(1)称取一定量的镍盐溶于乙醇中,形成溶液A,一定量的钴盐溶于乙醇和水的混合溶液中,形成溶液B,将溶液A和溶液B进行超声处理30 min;
(2)将溶液A和溶液B混合,搅拌,同时在搅拌过程中加入一定量的尿素,并持续一段时间;
(3)将上述得到的混合溶液,置于聚四氟乙烯反应釜中,在100 ℃~180 ℃下进行水热反应,反应时间为3~8小时;
(4)反应结束后,将沉淀物依次用乙醇、蒸馏水洗涤,在90℃下干燥12小时;
(5)将上述得到的粉末样品,置于马弗炉中在350℃下焙烧2小时,即得到结晶性能很好的镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料。
步骤(1)中所用的钴酸盐为六水合硝酸钴Co(NO3)2﹒6H2O或醋酸钴Co(CH3COO)2﹒4H2O或六水合氯化钴CoCl2﹒6H2O中的一种。
步骤(1)中钴盐和混合溶液的摩尔比为1:200~500,混合溶液为乙醇和水。
步骤(1)中所用的混合溶液,乙醇和水摩尔比为1:1。
步骤(1)中所用的镍盐与钴盐的摩尔比为钴盐:镍盐=1: 0.9%~2.3%。
步骤(2)中所用的尿素与钴盐的摩尔比为钴盐:尿素=1: 3~10。
一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料,其特征在于,根据上述任一所述方法制备得到。
一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的应用。
本发明将超声化学法、乙醇蒸发诱导合成法和原位掺杂法相结合,将镍掺杂在四氧化三钴纳米氧化物的晶格中,形貌是由纳米片自组装成的纳米花状结构,产物稳定性高,性质稳定,不仅具备四氧化三钴纳米氧化物的优异性能,更在此基础上提高了导电性。该制备方法操作简单,原料成本低廉,反应温度低,并且电化学性质优异,可广泛应用于催化、传感及能量存储等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1合成的镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的扫描电镜图。
图2为本发明实施例2合成的镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的扫描电镜图。
图3为本发明实施例3合成的镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的循环比容量性能图。
具体实施方式
本发明通过下面的具体实例进行详细描述,但本发明的保护范围不受限于这些实施例。
实施例1:
(1)称取0.0314 g的Ni(NO3)2﹒6H2O溶于50 ml乙醇中,形成溶液A,称取3.480 g的六水合硝酸钴Co(NO3)2﹒6H2O溶于25 ml乙醇和25 ml水的混合溶液中,形成溶液B,将溶液A和溶液B进行超声处理30 min;
(2)将溶液A和溶液B混合,搅拌,同时在搅拌过程中加入4.320 g尿素CO(NH2)2,并持续搅拌30 min;
(3)将上述得到的混合溶液,置于聚四氟乙烯反应釜中,在120 ℃下进行水热反应,反应时间为5小时;
(4)反应结束后,将沉淀物依次用乙醇、蒸馏水洗涤,在90℃下干燥12小时;
(5)将上述得到的粉末样品,置于马弗炉中在350℃下焙烧2小时,即得到结晶性能很好的镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料。
图1为该复合材料的扫描电镜照片。
实施例2:
(1)称取0.066 g 的Ni(NO3)2﹒6H2O溶于50 ml乙醇中,形成溶液A,称取4.5956 g的六水合氯化钴CoCl2﹒6H2O溶于25 ml乙醇和25 ml水的混合溶液中,形成溶液B,将溶液A和溶液B进行超声处理30 min;
(2)将溶液A和溶液B混合,搅拌,同时在搅拌过程中加入3.423 g尿素CO(NH2)2,并持续搅拌30 min;
(3)将上述得到的混合溶液,置于聚四氟乙烯反应釜中,在100 ℃下进行水热反应,反应时间为8小时;
(4)反应结束后,将沉淀物依次用乙醇、蒸馏水洗涤,在90℃下干燥12小时;
(5)将上述得到的粉末样品,置于马弗炉中在350℃下焙烧2小时,即得到结晶性能很好的镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料。
图2为该复合材料的扫描电镜照片。
实施例3:
(1)称取0.0520 gNi(NO3)2.6H2O溶于50 ml乙醇中,形成溶液A,称取1.9244 g的四水合醋酸钴Co(CH3COO)2﹒4H2O溶于25 ml乙醇和25 ml水的混合溶液中,形成溶液B,将溶液A和溶液B进行超声处理30 min;
(2)将溶液A和溶液B混合,搅拌,同时在搅拌过程中加入4.625 g尿素CO(NH2)2,并持续搅拌30 min;
(3)将上述得到的混合溶液,置于聚四氟乙烯反应釜中,在180 ℃下进行水热反应,反应时间为3小时;
(4)反应结束后,将沉淀物依次用乙醇、蒸馏水洗涤,在90℃下干燥12小时;
(5)将上述得到的粉末样品,置于马弗炉中在350℃下焙烧2小时,即得到结晶性能很好的镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料。
图3为复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学循环性能图。

Claims (8)

1.一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的制备方法,其特征在于,先分别将原料进行超声处理,再将两份溶液混合,搅拌,同时在搅拌过程中加入尿素,并持续搅拌一段时间,其特征在于,该方法的具体步骤为:
(1)称取一定量的镍盐溶于乙醇中,形成溶液A,一定量的钴盐溶于乙醇和水的混合溶液中,形成溶液B,将溶液A和溶液B进行超声处理30 min;
(2)将溶液A和溶液B混合,搅拌,同时在搅拌过程中加入一定量的尿素,并持续一段时间;
(3)将步骤(2)得到的混合溶液,置于聚四氟乙烯反应釜中,在100 ℃~180 ℃下进行水热反应,反应时间为3~8小时;
(4)反应结束后,将沉淀物依次用乙醇、蒸馏水洗涤,在90℃下干燥12小时;
(5)将上述得到的粉末样品,置于马弗炉中在350℃下焙烧2小时,即得到结晶性能很好的镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料。
2.根据权利要求1所述镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所用的钴酸盐为六水合硝酸钴Co(NO3)2·6H2O或醋酸钴Co(CH3COO)2·4H2O或六水合氯化钴CoCl2·6H2O中的一种。
3.根据权利要求1所述镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中钴盐和混合溶液的摩尔比为1:200~500,混合溶液为乙醇和水。
4.根据权利要求1所述镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所用的混合溶液,乙醇和水摩尔比为1:1。
5. 根据权利要求1所述镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所用的镍盐与钴盐的摩尔比为钴盐:镍盐=1: 0.9%~2.3%。
6. 根据权利要求1所述镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所用的尿素与钴盐的摩尔比为钴盐:尿素=1: 3~10。
7.一种镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料,其特征在于,根据权利要求1-6任一所述方法制备得到。
8.根据权利要求7所述镍掺杂四氧化三钴纳米花复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。
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