一種多孔四氧化三鈷納米片的製備方法與流程
2023-12-03 11:37:06
本發明屬於高性能功能材料領域，涉及一種多孔四氧化三鈷納米片的製備方法。
背景技術：
四氧化三鈷是一種黑色固體，晶體結構為尖晶石構型，分子式為Co3O4。它是一種混合價態的化合物，同時含有二價鈷和三價鈷。它是重要的鋰電池正極材料的原料，也可以直接用作鋰電池的負極材料和超級電容器電極材料。隨著鋰離子電池的發展，迫切需要開發新的負極材料，四氧化三鈷具有高的比容量，作為電池和電容器的電極材料受到了廣泛的關注。
納米技術的發展，為傳統功能材料的特性和功能提供了新的空間，尤其是目前二維形態材料的開發，受到了極大關注。因其特殊的形態，使得二維多孔結構的四氧化三鈷納米片，更加有利於電解液的滲透，發揮其最佳的儲能特性。
製備四氧化三鈷的方法主要有熱分解法，溶膠凝膠法，水熱法，溶劑熱法和化學氣相沉積法等，工業上常用鈷鹽分解的方法，該法工藝簡單，便於操作，但是製備的產物顆粒大，且尺寸分布寬。而水熱-熱分解法是利用水熱反應製得前驅物後，在空氣中煅燒，是一種製備不同形態納米氧化物的有效方法。為此，本發明採用水熱法首先製備二維片狀鹼式碳酸鈷(Co2(CO3)(OH)2)，然後將它經過中低溫加熱，獲得二維多孔四氧化三鈷納米片。本方法所製備納米片的形態均勻，便於控制納米片中孔的尺寸大小，是一個環保、高效的製備四氧化三鈷納米片的方法。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種多孔四氧化三鈷納米片的製備方法。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種多孔四氧化三鈷納米片的製備方法，包括以下步驟：
(1)將鈷鹽溶解於水中，配製鈷離子濃度為0.1～1mol/L的水溶液；
(2)將六次甲基四胺加入步驟1所配置的鈷鹽水溶液中，六次甲基四胺與鈷離子的摩爾比為6:1～8:1，在室溫下攪拌溶解均勻後，裝入高壓反應釜，溶液在反應釜中的體積填充率為70～85％，密閉反應釜，將反應釜加熱到210～280℃，保溫2小時以上；
(3)將步驟2所得的固體產物過濾，用水反覆清洗，乾燥，即可獲得四氧化三鈷的前驅體鹼式碳酸鈷；
(4)將步驟3中的產物在空氣中加熱到300～500℃，保溫1小時以上，即可獲得多孔四氧化三鈷納米片，所述多孔四氧化三鈷納米片由納米級四氧化三鈷顆粒構成，具有多孔特性，外形呈二維納米片形態。
進一步地，所述步驟1中，所述鈷鹽由氯化鈷、硝酸鈷和醋酸鈷的一種或多種按任意配比混合組成。
進一步地，所述步驟3中，所述鹼式碳酸鈷的化學式是Co2(CO3)(OH)2，其晶體結構與(Cu,Co)2(CO3)(OH)2一致。
本發明的有益效果是：
1、本發明原料來源要求低，價格便宜。
2、本發明製備能耗低，工藝簡單，生產周期短，工藝重複性優良。
3、本發明產品形態均勻，純度高。
附圖說明
圖1是實施例1用氯化鈷製備的四氧化三鈷納米片的形貌圖；
圖2是實施例2用硝酸鈷製備的四氧化三鈷納米片的形貌圖；
圖3是實施例3用醋酸鈷製備的四氧化三鈷納米片的形貌圖。
具體實施方式
實施例1
將0.1mol氯化鈷充分溶解於500mL水中，然後加入0.6mol六次甲基四胺，在室溫下攪拌溶解均勻後，裝入高壓反應釜，液體填充率為70％，密閉高壓反應釜，將其加熱到280℃，保溫2小時，過濾所生成的固體產物，經過乾燥後，獲得片狀的鹼式碳酸鈷。將乾燥後的鹼式碳酸鈷在空氣中300度下加熱2小時，就獲得多孔四氧化三鈷納米片，產物的形貌如圖1所示，所製備產物的形態是二維納米片組裝而成的分級結構，四氧化三鈷納米片的厚度主要在20到50納米之間，納米片的長度在數微米以上，寬度主要在300到500納米間。產物二維納米片形態均勻，製備條件溫和。
實施例2
將0.5mol硝酸鈷充分溶解於500mL水中，然後加入3mol六次甲基四胺，在室溫下攪拌溶解均勻後，裝入高壓反應釜，液體填充率為75％，密閉高壓反應釜，將其加熱到240℃，保溫3小時後，過濾所生成的固體產物，經過乾燥後，獲得片狀的鹼式碳酸鈷。將乾燥後的鹼式碳酸鈷在空氣中400度加熱2小時後，就獲得多孔四氧化三鈷納米片，產物的形貌如圖2所示，所製備產物的形態是四氧化三鈷二維納米片組裝而成的分級結構，四氧化三鈷納米片的厚度分布在30到60納米之間，納米片的長度在微米數量級，寬度主要分布在300到600納米。產物的二維形態均勻，重複性好。
實施例3
將0.3mol醋酸鈷充分溶解於500mL水中，然後加入2.4mol六次甲基四胺，在室溫下攪拌溶解均勻後，裝入高壓反應釜，液體填充率為85％，密閉高壓反應釜，將其加熱到210℃，保溫2小時後，過濾所生成的固體產物，經過乾燥後，獲得片狀的鹼式碳酸鈷。將乾燥後的鹼式碳酸鈷在空氣中500度加熱1小時，就獲得多孔四氧化三鈷納米片，產物的形貌如圖3所示，所製備產物的形態是分散的四氧化三鈷二維納米片，納米片的厚度在50納米左右，納米片的長度和寬度都在微米數量級。產物的二維形態保持良好，工藝重複性好。
上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。