一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)非金屬材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法。該方法利用水熱法，以去離子水為溶劑，分別配置適當(dāng)濃度的鈷鹽溶液和尿素溶液，然后將上述兩種溶液混合均勻，并轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，并將其放入高壓釜中，在80-120℃下反應(yīng)6-12小時(shí)，洗滌，80℃干燥后，在馬弗爐中300℃煅燒，最終獲得了具有納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)的四氧化三鈷產(chǎn)物。本發(fā)明的特點(diǎn)在于反應(yīng)溫度較低，操作方法簡(jiǎn)單，產(chǎn)率高，且其產(chǎn)物具有層狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可使四氧化三鈷不易團(tuán)聚，有利于電解液在層狀結(jié)構(gòu)中空隙里的擴(kuò)散，因此該材料有望在超級(jí)電容器等領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，屬于無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】 [0002]隨著石油、煤炭等不可再生的化石資源的不斷消耗及在其消耗過(guò)程中帶來(lái)的越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境污染(尤其是在大、中城市)，使人類已經(jīng)清醒的認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)新能源的重要性和緊迫性，因此，尋找替代內(nèi)燃機(jī)的新型能源裝置是亟待解決的問(wèn)題。
[0003]超級(jí)電容器(supercapacitor, ultracapacitor),又稱電化學(xué)電容器,它兼有物理電容器和電池的共同特性，是一種新型的儲(chǔ)能器件，該裝置是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的，以其優(yōu)異的特性揚(yáng)長(zhǎng)避短，具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，可以替代或部分替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池用于車輛的牽引電源和啟動(dòng)能源，且具有比傳統(tǒng)的化學(xué)電池更加廣泛的用途，因此，世界各國(guó)，特別是西方發(fā)達(dá)國(guó)家，都已經(jīng)投入大量的研究經(jīng)費(fèi)和科研力量，不遺余力地對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。
[0004]眾所周知，電極是超級(jí)電容器的重要組成部分，是影響超級(jí)電容器性能的主要因素之一。因此，在超級(jí)電容器的研究中，關(guān)于電極的相關(guān)研究具有舉足輕重的地位。例如，電極的材料、電極的結(jié)構(gòu)，等等。目前應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料主要有3種:碳基材料、金屬氧化物材料和導(dǎo)電聚合物材料，在此基礎(chǔ)上人們又開(kāi)發(fā)了復(fù)合電極材料。其中，四氧化三鈷是具有代表性的一種可用于超級(jí)電容器電極的金屬氧化物材料。
[0005]CN102531070A公開(kāi)了一種超級(jí)電容器用四氧化三鈷納米材料及其制備方法。該方法以硝酸鈷為原料，以乙二醇與水的混合物為溶劑，加入一定量的葡萄糖，放入高壓釜中，在120°C~200°C下反應(yīng)10~25小時(shí)，抽濾，80°C干燥后，在馬弗爐中300°C鍛燒，獲得直徑7μπι~15μπι的三維分級(jí)結(jié)構(gòu)四氧化三鈷海膽狀連體納米球。該發(fā)明的產(chǎn)物為三維分級(jí)結(jié)構(gòu)，電化學(xué)性能優(yōu)越，具有較高的穩(wěn)定性，均勻的粒徑分布，分散性好，不易團(tuán)聚，三維結(jié)構(gòu)孔隙有利于電解液擴(kuò)散等特點(diǎn)，但是該制備方法采用乙二醇為溶劑，反應(yīng)體系不夠穩(wěn)定，且合成過(guò)程中反應(yīng)條件要求過(guò)于苛刻，特別是反應(yīng)溫度比較高，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。
[0006]CN102923791A公開(kāi)了利用溶劑熱法制備多孔道四氧化三鈷花狀微球的方法。該發(fā)明是將硝酸鈷、硝酸銅、乙二醇和氨水混合均勻并轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，經(jīng)高溫溶劑熱反應(yīng)后，將溶劑熱產(chǎn)物離心分離、洗滌、真空干燥后在管式爐內(nèi)鍛燒制得。該發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，重現(xiàn)性好，所用鈷源為鈷的無(wú)機(jī)化合物，價(jià)廉易得，成本低。但該發(fā)明中反應(yīng)物比較復(fù)雜，反應(yīng)溫度也較高，均在160°C以上，能耗比較大。
[0007]我們利用水熱法制備得到的具有納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)的四氧化三鈷，可以充當(dāng)超級(jí)電容器電極材料，它特有的片層結(jié)構(gòu)可以提供較大的空隙和比表面積，增大其與電解液的接觸面積，為超級(jí)電容器中電解液的離子傳輸提供了有力的保障。另外，該材料還在催化、載體、生物傳感等領(lǐng)域具有諸多的優(yōu)勢(shì)，因此有望在上述領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]1、一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于該方法為:利用鈷鹽和尿素，通過(guò)水熱法得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，最終得到了納米級(jí)片狀結(jié)構(gòu)四氧化三鈷。該方法的具體步驟是:
[0009](I)分別稱取適量硝酸鈷(Co (NO3)2.6H20)和尿素(CO(NH2)2)，并放入不同燒杯中，加入一定量的去離子水并攪拌均勻，然后將上述兩種溶液混合并繼續(xù)在常溫條件下攪拌一定時(shí)間；
[0010](2)將溶解好的溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，并放入不銹鋼反應(yīng)釜中；
[0011](3)將反應(yīng)釜放入已升至設(shè)定溫度的烘箱中，保持一定反應(yīng)時(shí)間；
[0012](4)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，從烘箱中取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，然后打開(kāi)反應(yīng)釜，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至燒杯中，并將其分別用蒸餾水和乙醇各洗滌3次；
[0013](5)將反應(yīng)產(chǎn)物置于溫度為80°C的烘箱中烘干，得到淡紫色粉末狀的中間產(chǎn)物；
[0014](6)將前驅(qū)體放入馬弗爐中，在300°C下煅燒4h，得到最終產(chǎn)物。
[0015]2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟一中的金屬鈷鹽為硝酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷、乙酸鈷或碳酸鈷，且其濃度為0.1mol /L ~IOmol / L0
[0016]3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟一中的尿素的濃度為0.1mol` / L~IOmol / L。
[0017]4、根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟一中的去尚子水總量為40ml~80ml。
[0018]5、根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟三中烘箱的設(shè)定溫度為80°C~120°C。
[0019]6、根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟三中反應(yīng)時(shí)間為6h~12h。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的掃描電鏡照片，由圖可清晰地觀察到其明顯的層狀結(jié)構(gòu)，且其厚度在IOOnn以內(nèi)。
[0021]圖2為納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的XRD譜圖，由譜圖可以確定制備得到的產(chǎn)物為四氧化三鈷。
【具體實(shí)施方式】
[0022]【具體實(shí)施方式】一:
[0023]一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于該方法為:利用鈷鹽和尿素，通過(guò)水熱法得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，最終得到了納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷。該方法的具體步驟是:
[0024](I)分別稱取硝酸鈷(Co (NO3) 2.6H20) 6.0克，尿素(CO (NH2) 2) 3.0克，并放入不同燒杯中，共加入60毫升去離子水并攪拌均勻，然后將上述兩種溶液混合并繼續(xù)在常溫條件下攪拌10分鐘；[0025](2)將上述溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，放入反應(yīng)釜中；
[0026](3將反應(yīng)釜放入已升至設(shè)定溫度為110°C的烘箱中，并保溫8小時(shí)；
[0027](4)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，從烘箱中取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，然后打開(kāi)反應(yīng)釜，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至燒杯中，并將其分別用蒸餾水和乙醇各洗滌3次；
[0028](5)將反應(yīng)產(chǎn)物置于溫度為80°C的烘箱中保持I小時(shí)，得到淡紫色粉末狀的中間產(chǎn)物:
[0029](6)將中間產(chǎn)物放入馬弗爐中，在300°C下煅燒4小時(shí)，收集得到最終產(chǎn)物。
[0030]【具體實(shí)施方式】二:
[0031]一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于該方法為:利用鈷鹽和尿素，通過(guò)水熱法得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，最終得到了納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷。該方法的具體步驟是:
[0032](I)分別稱取硝酸鈷(Co (NO3)2.6Η20)6.0克，尿素(CO (NH2)2) 2.0克，并放入不同燒杯中，共加入60毫升去離子水并攪拌均勻，然后將上述兩種溶液混合并繼續(xù)在常溫條件下攪拌10分鐘；
[0033](2)將上述溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，放入反應(yīng)釜中；
[0034](3)將反應(yīng)釜放入已升至設(shè)定溫度為110°C的烘箱中，并保溫8小時(shí)；
[0035](4)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，從烘箱中取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，然后打開(kāi)反應(yīng)釜，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至燒杯中，并將其分別用蒸餾水和乙醇各洗滌3次；
[0036](5)將反應(yīng)產(chǎn)物置于溫度為80°C的烘箱中保持I小時(shí)，得到淡紫色粉末狀的中間產(chǎn)物；
[0037](6)將中間產(chǎn)物放入馬弗爐中，在300°C下煅燒4小時(shí)，收集得到最終產(chǎn)物。
[0038]【具體實(shí)施方式】三:
[0039]一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于該方法為:利用鈷鹽和尿素，通過(guò)水熱法得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，最終得到了納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷。該方法的具體步驟是:
[0040](I)分別稱取硝酸鈷(Co (NO3) 2.6H20) 3.0克，尿素(CO (NH2) 2) 2.0克，并放入不同燒杯中，共加入80毫升去離子水并攪拌均勻，然后將上述兩種溶液混合并繼續(xù)在常溫條件下攪拌10分鐘；
[0041](2)將上述溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，放入反應(yīng)釜中；
[0042](3)將反應(yīng)釜放入已升至設(shè)定溫度為110°C的烘箱中，并保溫8小時(shí)；
[0043](4)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，從烘箱中取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，然后打開(kāi)反應(yīng)釜，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至燒杯中，并將其分別用蒸餾水和乙醇各洗滌3次；
[0044](5)將反應(yīng)產(chǎn)物置于溫度為80°C的烘箱中保持I小時(shí)，得到淡紫色粉末狀的中間產(chǎn)物；
[0045](6)將中間產(chǎn)物放入馬弗爐中，在300°C下煅燒4小時(shí)，收集得到最終產(chǎn)物。
[0046]【具體實(shí)施方式】四:
[0047]一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于該方法為:利用鈷鹽和尿素，通過(guò)水熱法得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，最終得到了納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷。該方法的具體步驟是:[0048](I)分別稱取硝酸鈷(Co (NO3) 2.6H20) 2.0克，尿素(CO (NH2) 2) 2.0克，并放入不同燒杯中，共加入40毫升去離子水并攪拌均勻，然后將上述兩種溶液混合并繼續(xù)在常溫條件下攪拌10分鐘；
[0049](2)將上述溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，放入反應(yīng)釜中；
[0050](3)將反應(yīng)釜放入已升至設(shè)定溫度為90°C的烘箱中，并保溫12小時(shí)；
[0051](4)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，從烘箱中取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，然后打開(kāi)反應(yīng)釜，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至燒杯中，并將其分別用蒸餾水和乙醇各洗滌3次；
[0052](5)將反應(yīng)產(chǎn)物置于溫度為80°C的烘箱中保持I小時(shí)，得到淡紫色粉末狀的中間產(chǎn)物；
[0053](6)將中間產(chǎn)物放入馬弗爐中，在300°C下煅燒4小時(shí)，收集得到最終產(chǎn)物。
[0054]【具體實(shí)施方式】五:
[0055]一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于該方法為:利用鈷鹽和尿素，通過(guò)水熱法得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，最終得到了納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷。該方法的具體步驟是:
[0056](I)分別稱取硝酸鈷(Co (NO3) 2.6H20) 3.0克，尿素(CO (NH2) 2) 3.0克，并放入不同燒杯中，共加入80毫升去離子水并攪拌均勻，然后將上述兩種溶液混合并繼續(xù)在常溫條件下攪拌10分鐘；
[0057](2)將上述溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，放入反應(yīng)釜中；
[0058](3)將反應(yīng)釜放入已升至設(shè)定溫度為90°C的烘箱中，并保溫12小時(shí)；
[0059](4)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，從烘箱中取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，然后打開(kāi)反應(yīng)釜，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至燒杯中，并將其分別用蒸餾水和乙醇各洗滌3次；
[0060](5)將反應(yīng)產(chǎn)物置于溫度為80°C的烘箱中保持I小時(shí)，得到淡紫色粉末狀的中間產(chǎn)物；
[0061](6)將中間產(chǎn)物放入 馬弗爐中，在300°C下煅燒4小時(shí)，收集得到最終產(chǎn)物。
【權(quán)利要求】
1.一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于該方法為:利用鈷鹽和尿素，通過(guò)水熱法得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，最終得到了納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)的四氧化三鈷。該方法的具體步驟是: (1)分別稱取適量鈷鹽和尿素，并分別放入不同燒杯中，加入一定量的去離子水，常溫?cái)嚢柚寥咳芙獠⒒旌希? (2)將上述混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，放入反應(yīng)釜中； (3)將反應(yīng)釜放入已升至設(shè)定溫度的烘箱中，保持一定反應(yīng)時(shí)間； (4)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，從烘箱中取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，然后打開(kāi)反應(yīng)釜，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至燒杯中，并將其分別用蒸餾水和乙醇各洗滌3次； (5)將反應(yīng)產(chǎn)物置于溫度為80°C的烘箱中烘干，得到淡紫色粉末狀的中間產(chǎn)物； (6)將中間產(chǎn)物放入馬弗爐中，在300°C下煅燒4h，得到所需四氧化三鈷產(chǎn)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟一中的金屬鈷鹽為硝酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷、乙酸鈷或碳酸鈷，且其濃度為0.1mol / L~IOmol / L。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟一中的尿素的濃度為0.1mol / L~IOmol / L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟一中的去離子水總量為40ml~80ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟三中烘箱的設(shè)定溫度為80°C~120°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的一種納米級(jí)片層結(jié)構(gòu)四氧化三鈷的制備方法，其特征在于步驟三中反應(yīng)時(shí)間為6h~12h。
【文檔編號(hào)】C01G51/04GK103553149SQ201310436328
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月15日
【發(fā)明者】張乾, 董立峰, 田美娟, 朱建華, 隋靜, 張建祥 申請(qǐng)人:青島科技大學(xué)