專利名稱：一種制備Co₃O₄納米片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)機(jī)材料氧化鈷(Co3O4)的制備方法，尤其是氧化鈷納米片的制
備方法。
背景技術(shù)：
納米棒、納米片和納米管等低維納米材料，由于其獨(dú)特的物理性能，在納米器件的 重要組件中有廣闊的應(yīng)用前景。氧化鈷(Co3O4)是一種重要的半導(dǎo)體過(guò)渡金屬氧化物，具備 優(yōu)異的電學(xué)性能，在催化劑、磁性材料、電池材料、太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)及固態(tài)傳感器等領(lǐng)域有著 良好的應(yīng)用前景。金屬堿式鹽Mx(OH)y(X)z ·ηΗ20(Μ:金屬，X:陰離子)是一種層狀結(jié)構(gòu)的 金屬堿式鹽。首先，通過(guò)控制陰離子與帶正電荷[M(OH)2Jx+層的相互作用，可以有效地控 制前驅(qū)物中間體的形貌；其次，在熱處理過(guò)程，伴隨羥基和陰離子脫去，相鄰的氧與氫氧化 物薄片之間只發(fā)生了微小的堆積錯(cuò)配。這種局部規(guī)整反應(yīng)，致使熱解后的金屬氧化物繼承 了前驅(qū)體的形貌。目前制備氧化鈷(Co3O4)納米片的方法主要有自犧牲模板法，金屬氧化 法，液相法，水熱法，化學(xué)自組裝法。自犧牲模板法是近年來(lái)隨著納米材料的發(fā)展而出現(xiàn)的 一種方法。它是介于軟模板的基礎(chǔ)上，首先制備出具有一定形貌的前驅(qū)體，然后對(duì)前驅(qū)體進(jìn) 行處理，得到最終具有特定形貌的目標(biāo)產(chǎn)物。此法所得前驅(qū)體形貌可控，且熱解后的金屬氧 化物繼承了前驅(qū)體的形貌，是一種合成納米片的有效方法。但是利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 為軟模板，尿素為沉淀劑，制備納米片狀堿式碳酸鈷Co2 (OH) 2C03前軀體，并且熱處理后得到 Co3O4納米片的方法還沒(méi)有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種方便、有效的制備方法。本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的(1)將氯化鈷，尿素溶于蒸餾水中，然后加入聚乙烯基吡咯烷酮并使其溶解，形成 混合溶液；其中氯化鈷與尿素的摩爾比為1 2 4;氯化鈷和尿素的摩爾總數(shù)與蒸餾水的 摩爾比為1 275 觀0 ；加入的聚乙烯基吡咯烷酮質(zhì)量占混合溶液質(zhì)量的2 2. 5% ；其 中的氯化鈷為帶6個(gè)結(jié)晶水的化合物；(2)將混合溶液裝入反應(yīng)釜，密封后將其加熱至160 180°C，保溫8 12小時(shí)進(jìn) 行反應(yīng)，，然后自然冷卻至室溫；(3)將反應(yīng)物料進(jìn)行沉淀、離心分離，然后依次用去離子水和無(wú)水乙醇各洗滌3 次，于80°C干燥6小時(shí)得到前軀體Co2 (OH)2CO3 ；(4)再將前軀體于500°C煅燒5小時(shí)，所得黑色的產(chǎn)物為Co3O4納米片。作為優(yōu)選，上述制備方法中氯化鈷與尿素的摩爾比為1 3。作為優(yōu)選，上述制備方法中混合溶液在反應(yīng)釜中的裝填度為80% ；裝填度是指反 應(yīng)物料的體積占反應(yīng)釜體積的百分比。本發(fā)明采用自犧牲模板法，將氯化鈷CoCl2 · 6H20，尿素CO(NH2)2溶于蒸餾水中，然后加入聚乙烯基吡咯烷酮PVP，在磁力攪拌下，使其完全溶解，將混合液移入內(nèi)襯聚四氟 乙烯的不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，密封后將其加熱進(jìn)行反應(yīng)，保溫一定時(shí)間，然后自然冷卻至室 溫。將其中灰色沉淀離心分離，再經(jīng)洗滌依得到前軀體；再經(jīng)煅燒得黑色的產(chǎn)物為Co3O4納 米片。有益效果本發(fā)明制備過(guò)程中，所用試劑均為商業(yè)產(chǎn)品，無(wú)需繁瑣制備，工藝可控 性強(qiáng)，易操作，成本低，制得的產(chǎn)物純度高。


圖1是用本發(fā)明方法制得納米片狀堿式碳酸鈷前軀體的掃描電鏡(SEM)照片；圖2是用本發(fā)明方法制得納米片狀堿式碳酸鈷前軀體的X射線衍射(XRD)譜圖；圖3是用本發(fā)明方法制得納米片狀堿式碳酸鈷前軀體的高分辨透射電鏡(HRTEM) 照片；圖4是用本發(fā)明方法制得氧化鈷納米片的掃描電鏡(SEM)照片；圖5是用本發(fā)明方法制得氧化鈷納米片的X射線衍射(XRD)譜具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1將2mmol氯化鈷CoCl2 · 6H20,6mmol尿素CO (NH2) 2溶于20mL蒸餾水中，然后加入 1. 005g PVP，在磁力攪拌下，使其完全溶解，將混合液移入體積為50mL內(nèi)襯聚四氟乙烯的不 銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，裝填度為80%，密封后將其加熱至160°C，保溫8小時(shí)，然后自然冷卻至 室溫。將其中灰色沉淀離心分離，依次用去離子水和無(wú)水乙醇各洗滌3次，于80°C干燥6小 時(shí)得到前軀體。再于500°C煅燒5小時(shí)，所得黑色的產(chǎn)物為Co3O4納米片。將所得黑色的產(chǎn) 物直接在掃描電鏡下觀察，得到圖1所示結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)前驅(qū)體產(chǎn)物由大量矩形納米片組 成，這些納米片大小均勻，長(zhǎng)寬尺寸大約為5 μ mX 12 μ m，厚度為80 lOOnm。圖2的XRD 分析表明前驅(qū)體為純相堿式碳酸鈷Co2(OH)2CO3,并且沒(méi)有檢測(cè)到雜質(zhì)峰。圖3的HRTEM圖 譜清楚表明Co2(OH)2CO3前軀體具有極好的晶化質(zhì)量，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的體缺陷，表明利用 自犧牲模板法所制備的Co2(OH)2CO3納米片具有極好的晶化質(zhì)量。圖4的SEM照片表明熱 處理后的產(chǎn)物繼承了前驅(qū)體的納米片的形貌。圖5的XRD分析表明熱處理后的產(chǎn)物為純相 Co3O1 ο實(shí)施例2將2mmol氯化鈷CoCl2 · 6H20,6mmol尿素CO (NH2) 2溶于20mL蒸餾水中，然后加入 1. 005g PVP，在磁力攪拌下，使其完全溶解，將混合液移入體積為50mL內(nèi)襯聚四氟乙烯的不 銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，裝填度為80%，密封后將其加熱至160°C，保溫12小時(shí)，然后自然冷卻 至室溫。將其中灰色沉淀離心分離，依次用去離子水和無(wú)水乙醇各洗滌3次，于80°C干燥6 小時(shí)得到前軀體。再于500°C煅燒5小時(shí)，所得黑色的產(chǎn)物為Co3O4納米片。產(chǎn)物的形貌， 結(jié)構(gòu)和成分等特性均與實(shí)施例1相似。實(shí)施例3將2mmol氯化鈷CoCl2 · 6H20,6mmol尿素CO (NH2) 2溶于20mL蒸餾水中，然后加入1. 005g PVP，在磁力攪拌下，使其完全溶解，將混合液移入體積為50mL內(nèi)襯聚四氟乙烯的不 銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，裝填度為80%，密封后將其加熱至180°C，保溫8小時(shí)，然后自然冷卻至 室溫。將其中灰色沉淀離心分離，依次用去離子水和無(wú)水乙醇各洗滌3次，于80°C干燥6小 時(shí)得到前軀體。再于500°C煅燒5小時(shí)，所得黑色的產(chǎn)物為Co3O4納米片。產(chǎn)物的形貌，結(jié) 構(gòu)和成分等特性均與實(shí)施例1相似。實(shí)施例4將2mmol氯化鈷CoCl2 · 6H20,6mmol尿素CO (NH2) 2溶于20mL蒸餾水中，然后加入 1. 005g PVP，在磁力攪拌下，使其完全溶解，將混合液移入體積為50mL內(nèi)襯聚四氟乙烯的不 銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，裝填度為80%，密封后將其加熱至180°C，保溫12小時(shí)，然后自然冷卻 至室溫。將其中灰色沉淀離心分離，依次用去離子水和無(wú)水乙醇各洗滌3次，于80°C干燥6 小時(shí)得到前軀體。再于500°C煅燒5小時(shí)，所得黑色的產(chǎn)物為Co3O4納米片。產(chǎn)物的形貌， 結(jié)構(gòu)和成分等特性均與實(shí)施例1相似。
權(quán)利要求
1.一種制備Co3O4納米片的方法，其特征在于包括下述步驟(1)將氯化鈷，尿素溶于蒸餾水中，然后加入聚乙烯基吡咯烷酮并使其溶解，形成混合 溶液；其中氯化鈷與尿素的摩爾比為1 2 4 ；氯化鈷和尿素的摩爾總數(shù)與蒸餾水的摩爾 比為1 275 觀0;加入的聚乙烯基吡咯烷酮質(zhì)量占混合溶液質(zhì)量的2 2.5% ；其中的 氯化鈷為帶6個(gè)結(jié)晶水的化合物；(2)將混合溶液裝入反應(yīng)釜，密封后將其加熱至160 180°C，保溫8 12小時(shí)進(jìn)行反 應(yīng)，，然后自然冷卻至室溫；(3)將反應(yīng)物料進(jìn)行沉淀、離心分離，然后依次用去離子水和無(wú)水乙醇各洗滌3次，于 80°C干燥6小時(shí)得到前軀體Co2 (OH)2CO3 ；(4)再將前軀體于500°C煅燒5小時(shí)，所得黑色的產(chǎn)物為Co3O4納米片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于氯化鈷與尿素的摩爾比為1 3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于混合溶液在反應(yīng)釜中的裝填度為 80%。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)機(jī)材料氧化鈷(Co3O4)的制備方法，尤其是氧化鈷納米片的制備方法。本發(fā)明是通過(guò)將氯化鈷、尿素溶于蒸餾水中，然后加入聚乙烯基吡咯烷酮形成混合溶液；再混合溶液裝入反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)一定時(shí)間，然后自然冷卻至室溫；再將反應(yīng)物料進(jìn)行沉淀、離心分離、洗滌得到前軀體Co2(OH)2CO3；再將前軀體煅燒所得產(chǎn)物Co3O4納米片。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是工藝可控性強(qiáng)，易操作，成本低，制得的產(chǎn)物純度高。本發(fā)明所制備的產(chǎn)品在半導(dǎo)體行業(yè)具有廣泛的用途。
文檔編號(hào)C01G51/04GK102139929SQ201110075740
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者唐為華, 朱暉文, 李培剛, 王順利 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)