CN102139929A - 一种制备Co3O4纳米片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无机材料氧化钴(Co3O4)的制备方法，尤其是氧化钴纳米片的制备方法。本发明是通过将氯化钴、尿素溶于蒸馏水中，然后加入聚乙烯基吡咯烷酮形成混合溶液；再混合溶液装入反应釜进行反应一定时间，然后自然冷却至室温；再将反应物料进行沉淀、离心分离、洗涤得到前躯体Co2(OH)2CO3；再将前躯体煅烧所得产物Co3O4纳米片。本发明的优点是：工艺可控性强，易操作，成本低，制得的产物纯度高。本发明所制备的产品在半导体行业具有广泛的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种无机材料氧化钴(Co3O4)的制备方法，尤其是氧化钴纳米片的制备方法。
技术背景
纳米棒、纳米片和纳米管等低维纳米材料，由于其独特的物理性能，在纳米器件的重要组件中有广阔的应用前景。氧化钴(Co3O4)是一种重要的半导体过渡金属氧化物，具备优异的电学性能，在催化剂、磁性材料、电池材料、太阳能发电机及固态传感器等领域有着良好的应用前景。金属碱式盐Mx(OH)y(X)z·nH2O(M：金属，X：阴离子)是一种层状结构的金属碱式盐。首先，通过控制阴离子与带正电荷[M(OH)2-x]x+层的相互作用，可以有效地控制前驱物中间体的形貌；其次，在热处理过程，伴随羟基和阴离子脱去，相邻的氧与氢氧化物薄片之间只发生了微小的堆积错配。这种局部规整反应，致使热解后的金属氧化物继承了前驱体的形貌。目前制备氧化钴(Co3O4)纳米片的方法主要有自牺牲模板法，金属氧化法，液相法，水热法，化学自组装法。自牺牲模板法是近年来随着纳米材料的发展而出现的一种方法。它是介于软模板的基础上，首先制备出具有一定形貌的前驱体，然后对前驱体进行处理，得到最终具有特定形貌的目标产物。此法所得前驱体形貌可控，且热解后的金属氧化物继承了前驱体的形貌，是一种合成纳米片的有效方法。但是利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为软模板，尿素为沉淀剂，制备纳米片状碱式碳酸钴Co2(OH)2CO3前躯体，并且热处理后得到Co3O4纳米片的方法还没有报道。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提出了一种方便、有效的制备方法。
本发明是通过下述技术方案得以实现的：
(1)将氯化钴，尿素溶于蒸馏水中，然后加入聚乙烯基吡咯烷酮并使其溶解，形成混合溶液；其中氯化钴与尿素的摩尔比为1∶2～4；氯化钴和尿素的摩尔总数与蒸馏水的摩尔比为1∶275～280；加入的聚乙烯基吡咯烷酮质量占混合溶液质量的2～2.5％；其中的氯化钴为带6个结晶水的化合物；
(2)将混合溶液装入反应釜，密封后将其加热至160～180℃，保温8～12小时进行反应，，然后自然冷却至室温；
(3)将反应物料进行沉淀、离心分离，然后依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，于80℃干燥6小时得到前躯体Co2(OH)2CO3；
(4)再将前躯体于500℃煅烧5小时，所得黑色的产物为Co3O4纳米片。
作为优选，上述制备方法中氯化钴与尿素的摩尔比为1∶3。
作为优选，上述制备方法中混合溶液在反应釜中的装填度为80％；装填度是指反应物料的体积占反应釜体积的百分比。
本发明采用自牺牲模板法，将氯化钴CoCl2·6H2O，尿素CO(NH2)2溶于蒸馏水中，然后加入聚乙烯基吡咯烷酮PVP，在磁力搅拌下，使其完全溶解，将混合液移入内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，密封后将其加热进行反应，保温一定时间，然后自然冷却至室温。将其中灰色沉淀离心分离，再经洗涤依得到前躯体；再经煅烧得黑色的产物为Co3O4纳米片。
有益效果：本发明制备过程中，所用试剂均为商业产品，无需繁琐制备，工艺可控性强，易操作，成本低，制得的产物纯度高。
附图说明
图1是用本发明方法制得纳米片状碱式碳酸钴前躯体的扫描电镜(SEM)照片；
图2是用本发明方法制得纳米片状碱式碳酸钴前躯体的X射线衍射(XRD)谱图；
图3是用本发明方法制得纳米片状碱式碳酸钴前躯体的高分辨透射电镜(HRTEM)照片；
图4是用本发明方法制得氧化钴纳米片的扫描电镜(SEM)照片；
图5是用本发明方法制得氧化钴纳米片的X射线衍射(XRD)谱图；
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
实施例1
将2mmol氯化钴CoCl2·6H2O，6mmol尿素CO(NH2)2溶于20mL蒸馏水中，然后加入1.005g PVP，在磁力搅拌下，使其完全溶解，将混合液移入体积为50mL内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，装填度为80％，密封后将其加热至160℃，保温8小时，然后自然冷却至室温。将其中灰色沉淀离心分离，依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，于80℃干燥6小时得到前躯体。再于500℃煅烧5小时，所得黑色的产物为Co3O4纳米片。将所得黑色的产物直接在扫描电镜下观察，得到图1所示结构，可以发现前驱体产物由大量矩形纳米片组成，这些纳米片大小均匀，长宽尺寸大约为5μm×12μm，厚度为80～100nm。图2的XRD分析表明前驱体为纯相碱式碳酸钴Co2(OH)2CO3，并且没有检测到杂质峰。图3的HRTEM图谱清楚表明Co2(OH)2CO3前躯体具有极好的晶化质量，并没有发现明显的体缺陷，表明利用自牺牲模板法所制备的Co2(OH)2CO3纳米片具有极好的晶化质量。图4的SEM照片表明热处理后的产物继承了前驱体的纳米片的形貌。图5的XRD分析表明热处理后的产物为纯相Co3O1。
实施例2
将2mmol氯化钴CoCl2·6H2O，6mmol尿素CO(NH2)2溶于20mL蒸馏水中，然后加入1.005g PVP，在磁力搅拌下，使其完全溶解，将混合液移入体积为50mL内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，装填度为80％，密封后将其加热至160℃，保温12小时，然后自然冷却至室温。将其中灰色沉淀离心分离，依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，于80℃干燥6小时得到前躯体。再于500℃煅烧5小时，所得黑色的产物为Co3O4纳米片。产物的形貌，结构和成分等特性均与实施例1相似。
实施例3
将2mmol氯化钴CoCl2·6H2O，6mmol尿素CO(NH2)2溶于20mL蒸馏水中，然后加入1.005g PVP，在磁力搅拌下，使其完全溶解，将混合液移入体积为50mL内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，装填度为80％，密封后将其加热至180℃，保温8小时，然后自然冷却至室温。将其中灰色沉淀离心分离，依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，于80℃干燥6小时得到前躯体。再于500℃煅烧5小时，所得黑色的产物为Co3O4纳米片。产物的形貌，结构和成分等特性均与实施例1相似。
实施例4
将2mmol氯化钴CoCl2·6H2O，6mmol尿素CO(NH2)2溶于20mL蒸馏水中，然后加入1.005g PVP，在磁力搅拌下，使其完全溶解，将混合液移入体积为50mL内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，装填度为80％，密封后将其加热至180℃，保温12小时，然后自然冷却至室温。将其中灰色沉淀离心分离，依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，于80℃干燥6小时得到前躯体。再于500℃煅烧5小时，所得黑色的产物为Co3O4纳米片。产物的形貌，结构和成分等特性均与实施例1相似。
Claims (3)
1.一种制备Co3O4纳米片的方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)将氯化钴，尿素溶于蒸馏水中，然后加入聚乙烯基吡咯烷酮并使其溶解，形成混合溶液；其中氯化钴与尿素的摩尔比为1∶2～4；氯化钴和尿素的摩尔总数与蒸馏水的摩尔比为1∶275～280；加入的聚乙烯基吡咯烷酮质量占混合溶液质量的2～2.5％；其中的氯化钴为带6个结晶水的化合物；
(2)将混合溶液装入反应釜，密封后将其加热至160～180℃，保温8～12小时进行反应，，然后自然冷却至室温；
(3)将反应物料进行沉淀、离心分离，然后依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，于80℃干燥6小时得到前躯体Co2(OH)2CO3；
(4)再将前躯体于500℃煅烧5小时，所得黑色的产物为Co3O4纳米片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于氯化钴与尿素的摩尔比为1∶3。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于混合溶液在反应釜中的装填度为80％。
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