專利名稱：一種制備四氧化三鈷一維納米材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一維納米材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種制備四氧化三鈷一維納米材料的方法， 屬于燒結(jié)制備四氧化三鈷一維納米材料的技術(shù)。
背景技術(shù)：
氧化鈷因其良好的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，在電極材料、催化劑、電子工業(yè)、磁性材料、 硬質(zhì)合金、陶瓷等方面。得到廣泛的應用。通常制備四氧化三鈷粉體的方法是將金屬鈷在 空氣或水蒸氣中加熱，或?qū)溲趸?、碳酸鈷或草酸鈷在隔絕空氣的條件下加熱制得。這 些方法制備的四氧化三鈷粉末顆粒較大，在微米量級。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)納米顆 粒在改善電池電極的性能，陶瓷增韌，提高磁記錄密度以及增強催化性能等許多方面具有 不同于塊體的許多優(yōu)異特性。所以制備出納米量級的純相氧化鈷顆粒將對于其性能的研究 及應用都具有非常重要的意義，而探索適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)的制備工藝尤為重要。迄今 的文獻報道中制備四氧化三鈷一維納米材料的方法主要集中在水熱法，但是此類反應需要 在高壓釜環(huán)境下進行，設(shè)備復雜，并需要24小時以上的漫長反應時間，這些都限制了這種 工藝的推廣，難以實現(xiàn)大規(guī)模生長。
專利號為200510122214的發(fā)明專利"制備氧化鋅納米線或氧化鋅納米帶的方法"，提 供了一種制備氧化鋅納米線或氧化鋅納米帶的方法。發(fā)明人在后續(xù)的工藝研究中發(fā)現(xiàn)，當 采用該專利提供的工藝制備如ZnO之類的納米線或納米帶時，會由于保溫階段的增加，而 使得納米材料的尺寸過大，而且該工藝比較復雜，制作成本也比較高。同時在原料選擇方 面，如果限制為金屬醋酸鹽和聚乙烯醇，則會局限工藝的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種制備四氧化三鈷一維納米材料的方法，該方法過程簡單，費用 較低，可與集成電路、半導體工藝兼容。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)的 一種制備四氧化三鈷一維納米材料的方法，
其特征在于，包括以下過程
1) 以含有羥基、羧基或氨基三種官能團中一種或一種以上的有機物質(zhì)作為有機絡(luò)合
齊1J，在75 95'C水浴或者加熱條件下，將所述的有機絡(luò)合劑溶入去離子水中，配制 成質(zhì)量濃度為1 6%的有機絡(luò)合溶液；
2) 將含有鈷元素的水溶性金屬鹽和所述的有機絡(luò)合水溶液按金屬鹽和有機絡(luò)合劑的 質(zhì)量比1:5 5:1均勻混合；
3) 將基板浸入混合溶液，平鋪在溶液底部；
34) 將步驟3)的置有基板的混合溶液置于烘箱中并以5 2(TC/min的速率升溫至120 150°C，保溫0.5 3h;
5) 將步驟4)制得的樣品轉(zhuǎn)移到箱式電阻爐中，以5 2(TC/min的速率升溫至290 310°C，保溫0.5 lh;以5 20。C/min的速率升溫至530 56(TC，保溫0.5 3h，在 基板上形成四氧化三鈷一維納米材料。
上述的制備四氧化三鈷一維納米材料的方法，所述的有機絡(luò)合劑為含有羥基、羧基或 氨基三種官能團中一種或一種以上的有機物質(zhì)作為有機絡(luò)合劑，如明膠、殼聚糖、環(huán)糊精、 羧甲基纖維素鈉、硼氫化鉀、聚乙烯醇，并不只限于此例；所述的含有鈷元素的水溶性金 屬鹽為氯化鈷或乙酸鈷；所述的基板為硅、石英或玻璃材質(zhì)。
本發(fā)明的有益效果為:采用含鈷元素的金屬鹽(鈷的所有水溶性無機鹽，如氯化鈷等； 鈷的所有水溶性有機鹽，如乙酸鈷等)和有機絡(luò)合劑(明膠、殼聚糖、環(huán)糊精、羧甲基纖 維素鈉、硼氫化鉀、聚乙烯醇等，不只限于這些物質(zhì)，可作為有機絡(luò)合劑的物質(zhì)，包括所 有含有羥基、羧基、氨基三種官能團中一種或一種以上的有機物質(zhì))制備四氧化三鈷一維 納米材料，具有可控性強、操作簡單、費用較低等優(yōu)點，四氧化三鈷一維納米材料的，長 度可達10pm以上。由于有機絡(luò)合劑具有豐富的、分布均勻的官能團(如羥基、羧基、氨基 等)，鈷陽離子與有機絡(luò)合劑上的官能團相互作用，使鈷鹽在有機絡(luò)合劑的空間構(gòu)架中定 位、排布，經(jīng)程控式快速升溫熱處理，含鈷元素的金屬鹽和有機絡(luò)合劑分階段發(fā)生分解、 裂解、氧化等反應，通過控制程序升溫參數(shù)和不同濃度的配比實現(xiàn)四氧化三鈷一維納米材 料可控合成。由于熱處理溫度低，可與現(xiàn)有的集成電路、半導體工藝兼容。相較于之前發(fā) 明人申請的制備氧化鋅納米線的工藝路線，本發(fā)明提供的工藝，由于減少了保溫階段，可 制得尺寸更小的納米材料，同時納米材料的尺寸更加均一，且呈現(xiàn)陣列排布的趨勢，而且 工藝也進一步簡化，從而進一步降低了制作成本。同時在原料選擇方面，更加寬泛，使得 合成工藝的設(shè)計與條件參數(shù)選取空間更大。
具體實施方法
概括而言，本發(fā)明的制備方法如下
1) 在75 95t:水浴或者加熱條件下，將有機絡(luò)合劑(明膠、殼聚糖、環(huán)糊精、羧甲基 纖維素鈉、硼氫化鉀、聚乙烯醇等，不只限于這些物質(zhì)，可作為有機絡(luò)合劑的物質(zhì)， 包括所有含有羥基、羧基、氨基的有機物質(zhì))溶入去離子水中，配制成質(zhì)量濃度為 1 6%的有機絡(luò)合溶液；
2) 將含有鈷元素的金屬鹽(鈷的所有水溶性無機鹽，如氯化鈷等；鈷的所有水溶性有 機鹽，如乙酸鈷等)和有機絡(luò)合水溶液按金屬鹽和有機絡(luò)合劑的質(zhì)量比1:5 5:1均 勻混合；
3) 將基板(如硅、石英或玻璃)浸入混合溶液，平鋪在溶液底部；
4) 將步驟3)的置有基板的混合溶液置于烘箱中并以5 2(TC/min的速率升溫至120 150°C，保溫0.5 3h;
5)將歩驟4)制得的樣品轉(zhuǎn)移到箱式電阻爐中，以5 2(TC/min的速率升溫至290 310°C，保溫0.5 lh;以5 20。C/min的速率升溫至530 560。C，保溫0.5 3h，在 基板上形成四氧化三鈷一維納米材料。 下面以氯化鈷、硝酸鈷、乙酸鈷和明膠、聚乙烯醇制備的四氧化三鈷一維納米材料為 例來說明如何實施本發(fā)明，本發(fā)明不限于這些實施例。 實施例1
在石英燒杯中，在75 95'C水浴或者加熱條件下，將4g聚乙烯醇溶于100ml去離子水； 加入2g氯化鈷，采用磁力攪拌0.5h，轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/min，用40KHz、 150W的超聲波分散0.5h。 將石英玻璃基板平鋪在石英燒杯底部。然后將石英燒杯置于烘箱中并以5'C/min的速率升溫 至120'C，保溫0.5h，直至烘干。將樣品轉(zhuǎn)移到箱式電阻爐中，以5T:/min的速率升溫至30(TC 下熱處理0.5h;以5。C/min的速率升溫至550'C，保溫lh。 SEM觀察發(fā)現(xiàn)，在基板上形成直 徑30 50nm、長度超過15pm的納米線。 實施例2
本實施例與實施1相似，不同之處在于步驟2中乙酸鈷和明膠的用量均為4g，以 1(TC/min的速率升溫至13(TC，保溫0.5h，直至烘干。將樣品轉(zhuǎn)移到箱式電阻爐中，以 10°C/min的速率升溫至31(TC下熱處理0.5h;以10°C/min的速率升溫至560°C，保溫lh。 SEM觀察發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物為直徑約50 80nrn的納米棒，長度10nm。 實施例3
本實施例與實例1相似，不同之處在于步驟2中硝酸鈷和明膠的用量為4g和2g，以 15°C/min的速率升溫至15(TC，保溫lh，直至烘干。將樣品轉(zhuǎn)移到箱式電阻爐中，以15°C/min 的速率31(TC，保溫lh;以15°C/min的速率升溫至560°C，保溫3h。 SEM觀察發(fā)現(xiàn)，產(chǎn) 物為直徑約80 100nm的納米棒，長度10pm。 實施例4
本實施例與實例1相似，不同之處在于步驟2中氯化鈷和明膠的用量為4g和2g,以 20。C/min的速率升溫至140'C，保溫lh，直至烘干。將樣品轉(zhuǎn)移到箱式電阻爐中，以20'C/min 的速率315'C，保溫lh;以20°C/min的速率升溫至550°C，保溫2h。 SEM觀察發(fā)現(xiàn)，產(chǎn) 物為直徑約100 150nrn的納米棒，長度10pm。 實施例5
本實施例與實例3'相似，不同之處在于步驟2中，本實施例只采用機械攪拌0.5h，轉(zhuǎn) 速800轉(zhuǎn)/min。 SEM觀察發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物中有直徑100 1000nm、長度約10nm的納米線和表 面有殘缺的納米棒。
權(quán)利要求
1. 一種制備四氧化三鈷一維納米材料的方法，其特征在于，包括以下過程1)以含有羥基、羧基或氨基三種官能團中一種或一種以上的有機物質(zhì)作為有機絡(luò)合劑，在75～95℃水浴或者加熱條件下，將所述的有機絡(luò)合劑溶入去離子水中，配制成質(zhì)量濃度為1～6％的有機絡(luò)合溶液；2)將含有鈷元素的水溶性金屬鹽和所述的有機絡(luò)合水溶液按金屬鹽和有機絡(luò)合劑的質(zhì)量比1∶5～5∶1均勻混合；3)將基板浸入混合溶液，平鋪在溶液底部；4)將步驟3)的置有基板的混合溶液置于烘箱中并以5～20℃/min的速率升溫至120～150℃，保溫0.5～3h；5)將步驟4)制得的樣品轉(zhuǎn)移到箱式電阻爐中，以5～20℃/min的速率升溫至290～310℃，保溫0.5～1h；以5～20℃/min的速率升溫至530～560℃，保溫0.5～3h，在基板上形成四氧化三鈷一維納米材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備四氧化三鈷一維納米材料的方法，其特征在于，所述的有機 絡(luò)合劑為含有羥基、羧基或氨基三種官能團中一種或一種以上的有機物質(zhì)作為有機絡(luò)合 劑，如明膠、殼聚糖、環(huán)糊精、羧甲基纖維素鈉、硼氫化鉀、聚乙烯醇，并不只限于此例。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備四氧化三鈷一維納米材料的方法，其特征在于，所述的含有 鈷元素的水溶性金屬鹽為氯化鈷或乙酸鈷。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備四氧化三鈷一維納米材料的方法，其特征在于，所述的基板 為硅、石英或玻璃材質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備四氧化三鈷一維納米材料的方法，包括以下過程配制成質(zhì)量濃度為1～6％的有機絡(luò)合水溶液；將含有鈷元素的金屬鹽和有機絡(luò)合水溶液按金屬鹽和有機絡(luò)合劑的質(zhì)量比1∶5～5∶1均勻混合；將基板浸入混合溶液，平鋪在溶液底部；將置有基板的混合溶液置于烘箱中并以5～20℃/min的速率升溫至120～150℃，保溫0.5～3h；將制得的樣品轉(zhuǎn)移到箱式電阻爐中，以5～20℃/min的速率升溫至290～310℃，保溫0.5～1h；以5～20℃/min的速率升溫至530～560℃，保溫0.5～3h，在基板上形成四氧化三鈷一維納米材料。本發(fā)明提供的工藝，可制得尺寸更小更加均一的納米材料，工藝也進一步簡化，原料可選范圍更加廣泛，從而進一步降低了制作成本。
文檔編號C01G51/00GK101531403SQ200910068369
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者凱 何, 倪恒侃, 張之圣, 李付奎, 李玲霞, 慧 王, 濤 薛, 強 鄒 申請人:天津大學