[發(fā)明專利]一種微波一步法制備四氧化三鈷八面體的方法

無效

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• 申請日: 2011-11-24
• 公開（公告）號: CN102491431A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 包淑娟;張平
• 申請（專利權(quán)）人: 新疆大學(xué)
• 主分類號: C01G51/04
• 分類號: C01G51/04;B82Y40/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鈷鹽和硫脲在合適的吸波材料存在下通過微波一步反應(yīng)制備得到四氧化三鈷八面體，而不需要進一步煅燒，屬無機材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

Co₃O₄是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的功能材料，是制備鋰離子電池正極材料鈷酸鋰的主要原料。隨著鋰離子二次電池需求量的不斷增加，Co₃O₄粉末的市場需求量也在成倍增長。同時，Co₃O₄粉末也被廣泛應(yīng)用于超級電容器、硬質(zhì)合金、壓敏陶瓷、無機顏料、催化劑等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，不論是對Co₃O₄純度要求，還是粉末的物理性能(如振實密度、顆粒粒徑分布、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌等)、電化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等都隨著科技的進步提出了更高的要求。而Co₃O₄的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒大小、分布范圍、微觀形貌是影響和決定其性能的關(guān)鍵參數(shù)。因此，研究如何有效可控合成具有優(yōu)良品質(zhì)的Co₃O₄粒子具有重要的意義。

近年來，Co₃O₄?的合成研究方興未艾，科學(xué)家們開發(fā)出了多種方法用于制備具有不同微結(jié)構(gòu)的Co₃O₄。其中最為典型的有水熱法、溶劑熱法、沉淀法和固相熱解法。水熱法得到的產(chǎn)品量少，且耗時長；溶劑熱法制備Co₃O₄對反應(yīng)設(shè)備有嚴(yán)格的要求，生成的Co₃O_4?粉末產(chǎn)率較低，產(chǎn)品的純度不夠高，并且產(chǎn)品尺寸和形貌的均一程度不盡如人意。沉淀法和固相熱解法制備Co₃O₄，需要將反應(yīng)得到的中間體通過二次氧化或煅燒才能得到最終的四氧化三鈷，其工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，耗時耗才。因此尋找一種反應(yīng)條件溫和，易于操作，簡單方便的方法來制備高純度、粒徑小且分布均勻的四氧化三鈷的方法是必要的，在此基礎(chǔ)上進一步對產(chǎn)品的微結(jié)構(gòu)和粒子晶體型態(tài)進行有目的調(diào)控，也是四氧化三鈷制備中遇到的難題之一。微波輔助反應(yīng)法工藝簡單，反應(yīng)迅速，是一種簡單方便一步就可以制備得到四氧化三鈷的方法。

用不同的鈷鹽和硫脲反應(yīng)是目前制備硫化物的常用方法之一，在不同條件下可分別形成CoS、CoS₂、Co₃S₄等硫化物，而用硫脲為原料合成四氧化三鈷卻很少見報道。Yitai?Qian?等人曾用微波法以硫脲為原料制備得到了花狀的CoS納米晶粒（Materials?Chemistry?and?Physics?82?(2003)?206–209），而以硫脲為原料，采用微波這種簡單省時的制備方法，同時加入一定的吸波碳材料合成規(guī)則的八面體的四氧化三鈷據(jù)我們所知還未見報道。

微波燃燒合成是用微波輻照來代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱源,?由于微波有較強的穿透能力,?能深入到樣品內(nèi)部,?使樣品中心溫度迅速升高達到著火點并引發(fā)燃燒合成。同時加入的吸波碳材料，在反應(yīng)中不僅僅是很好的吸波材料?，而且可以作為形貌導(dǎo)向劑，促進規(guī)則八面體的生成。本發(fā)明利用微波這一特點,?在空氣中生成了八面體狀四氧化三鈷。該方法不需要催化劑,?反應(yīng)時間短,?試驗條件簡單,有可能大規(guī)模合成八面體狀四氧化三鈷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種條件溫和、操作簡便、產(chǎn)物不需要進一步煅燒、對環(huán)境無污染、反應(yīng)快、能耗低的制備規(guī)則八面體形狀的四氧化三鈷的方法。本發(fā)明人在研究微波反應(yīng)的過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)向反應(yīng)體系中加入合適的吸波碳材料時，由于吸波材料的存在，誘導(dǎo)晶粒在成核過程中晶面生長速度不同，最終生成規(guī)則的八面體四氧化三鈷納米晶粒。本發(fā)明制備四氧化三鈷的方法是將鈷鹽和硫脲按一定物質(zhì)的量之比混合，溶于一定量的乙二醇中，在一定的微波條件下反應(yīng)得到的。

本發(fā)明的微波制備四氧化三鈷納米材料的方法反應(yīng)條件溫和、操作簡單、反應(yīng)快、能耗低、無污染，制得四氧化三鈷的晶體結(jié)構(gòu)和形貌可控，并且重復(fù)性高。

附圖說明??

圖1為所制得樣品的XRD圖。

圖2為所制備的四氧化三鈷八面體材料的低倍掃描電鏡照片。

圖3為所制備的四氧化三鈷八面體材料的高倍掃描電鏡照片。

具體實施方式

準(zhǔn)確稱取3?mmol?CoCl₂·6H₂O，3?mmol硫脲和10?mg碳納米管，將其加入到20?mL的乙二醇溶液中，攪拌均勻，置于微波爐中，采用3?min開，3?min?關(guān)的方式，功率為1000?W，微波加熱15?min，然后分別用蒸餾水和乙醇洗滌，過濾，干燥，得到規(guī)則的八面體的四氧化三鈷。