[發明專利]一種四氧化三鈷桿狀納米結構的制備方法

無效

• 申請號: 201110046093.8
• 申請日: 2011-02-25
• 公開（公告）號: CN102153153A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 董昭;魏芹芹;許應瑛;鄧斯天;張雄健;傅云義;張酣
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C01G51/04
• 分類號: C01G51/04;B82Y40/00;B01J23/75;B01J35/10
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 賈曉玲

技術領域

本發明屬于納米材料的研制領域，具體涉及一種大面積高密度四氧化三鈷桿狀納米結構的制備方法。

背景技術

四氧化三鈷納米材料在鋰離子電池、一氧化碳催化上都有很重要的應用。一些具有不同形貌的納米材料，如納米顆粒、納米線、薄膜等被制備出來。這些納米材料的制備一般為基于溶液的方法，即先通過溶質沉淀的方法(如溶膠-凝膠法、水熱法等)制得草酸鈷、碳酸鈷等先導物，而后加熱這些樣品來制得四氧化三鈷納米顆粒等納米材料(X.Wang，X.-L.Wu，Y.-G.Guo，Y.Zhong，X.Cao，Y.Ma，J.Yao，Adv.Func.Mater.20，1680，2010；X.Wang，X.Chen，L.Gao，H.Zheng，Z.Zhang，Y.Qian，J.Phys.Chem.B?108，16401，2004)。其主要的不足之處在于，所得樣品多為納米顆粒，盡管利用多孔氧化鋁模板可以得到納米線，但多為多晶結構。并且這種方法制備過程比較繁瑣，所用的化學辦法容易造成水污染。

發明內容

本發明針對目前四氧化三鈷材料所存在的問題，提出一種較為方便，并且對設備要求比較低的制備大面積、密集四氧化三鈷桿狀納米結構的方法。

一種高密度四氧化三鈷納米桿的制備方法，具體步驟為：在通過一定量的氬氣氣氛中，將鈷片放置于加熱容器中進行熱處理，從而得到四氧化三鈷納米桿狀結構。

所謂一定量的氬氣氣氛，是指在制備過程中用純度為99.9％的商用純氬氣，以20ml/min的速率通入預先不抽真空的反應容器中。該氣氛需要加熱水來補充進入氣路的水蒸氣(具體裝置見附圖1)。加熱水溫為30～90℃，優選值為60℃。

所述熱處理過程如下：以200℃/h的速率，將反應器的溫度從室溫升到加熱溫度，并在此溫度保持2～10h(加熱時間)，之后以200℃/h或者自然降溫至室溫，加熱溫度范圍為500～530℃，優選值為520℃。

所述商用純氬氣的流速在加熱過程中為20ml/min(指常溫常壓下)。

所述鈷片為工業用電解鈷(純度為99.8％)，使用前需經過如下處理：用砂紙將其表面拋光，利用去離子水沖洗后，再依次利用去離子水和乙醇進行超聲清洗。

所述加熱容器，是溫度可控、氣氛可調的加熱容器；在具體實現過程中，利用的是管式爐。

本發明的優點與技術效果：

本發明所得到的密集分布的四氧化三鈷納米桿狀物，長度大約為1μm左右，直徑在100nm左右，多呈竹葉型(見附圖2)。這種的形貌具有比表面積大的優點，在催化應用中，能吸附更多的氣體，從而提高催化性能；在鋰離子電池應用中，由于該樣品可以和電解液有更多的接觸，故在提高鋰離子電池性能方面也有很大的應用前景。另外，本發明所用設備較為簡單、便宜，而且此設備氣氛可以調整。

附圖說明

圖1為制備樣品所需設備示意圖；

圖2為本發明四氧化三鈷桿狀納米結構掃描電子顯微鏡圖；

圖3為本發明四氧化三鈷桿狀納米結構X射線衍射圖；

圖4為本發明四氧化三鈷桿狀納米結構Raman光譜圖。

具體實施方式

下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。

本發明采用直接氧化法，實現在含有水蒸氣的純氬氣氣氛中來制備高密度四氧化三鈷納米桿狀結構。裝置示意圖見圖1，其制備過程如下：

(a)在進行所有實驗之前，將加熱水的裝置打開。使在加熱樣品時，水溫在所設定溫度。

(b)將純度為99.8％的工業用鈷片分割為大約為1cm×1cm的小塊，然后用壓片機在10Mpa的壓力大小下將樣品壓平整。

(c)用300、400、500、800、1000和2000#砂紙依次打磨樣品，以去除表面氧化層，并讓表面平整。

(d)把樣品用去離子水沖洗后，再依次分別置于含有去離子水和純度為99.99％的無水乙醇的小燒杯中超聲清洗，清洗時間各需約5～10min。

(e)清洗后的樣品迅速放在濾紙上吸干，之后放入一端開口的石英小舟中。

(f)迅速將載有樣品的石英小舟小心地推放入管式爐的石英管(直徑5cm，長度133cm，體積2.6L)中央，其開口端面向送氣一方。

(g)以200℃/h的速率升溫至設定溫度(500～530℃)，而后再該溫度保持2～12h，之后以200℃/h的速率或自然降溫至室溫。在加熱過程中，以20ml/min的速率向前述石英管中通入純度為99.9％的商用純氬氣，以保持管內氣氛。