[發明專利]一種分層多孔的空心核殼結構的Co3O4的高效合成方法

在審

• 申請號: 201910291448.6
• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN109824093A
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 簡紹菊;楊為森;胡家朋;林維晟
• 申請（專利權）人: 武夷學院
• 主分類號: C01G51/04
• 分類號: C01G51/04
• 代理公司: 南昌華成聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 36126
• 代理人: 張建新

本發明提供了一種分層多孔的空心核殼結構的Co₃O₄的高效合成方法。該方法以CTAB為穩定劑、水為溶劑、Co(NO₃)₂·6H₂O為原料、2?甲基咪唑為有機配體，采用水溶液合成法在溫和的條件下，合成了立方體的ZIF?67前驅物；將得到的ZIF?67前驅物在空氣中于450℃煅燒2h，自然冷卻至室溫后得到分層的空心核殼結構的Co₃O₄。采用自模板法，不僅效率高，過程簡單，結構穩定，還可實現對目標產物的形貌、幾何均勻性等的精確控制，具有合成路徑簡單、產率高、形貌可控和重復性好等優點。本方法所制備得到多層結構的Co₃O₄的尺寸約為500nm，比表面積約為130m²g^?1，在超級電容器、多相催化和鋰離子電池等領域具有潛在的應用價值。

技術領域

本發明涉及無機納米功能材料制備領域，具體涉及一種制備分層的空心核殼結構的Co₃O₄的方法。

背景技術

隨著社會的不斷進步、人類對能源需求的急劇增加，近年來研究者對低成本、高效率、環境友好的能源轉換和代儲材料的研究極為關注。四氧化三鈷(Co₃O₄)是一種重要的p型半導體，具有原料豐富、制備簡單、成本低、環境友好且比電容較高的優點，在科學界和工業界受到了廣泛的關注。納米級別的四氧化三鈷具有存貯量大、價格便宜且比電容高的特性等，已經被廣泛應用于超級電容器的電極材料、鋰離子電池、光催化劑、燃料電池、氣體傳感器等方面。然而，Co₃O₄納米電極材料通常在鋰化/脫鋰循環的電池循環過程中易發生顯著的體積膨脹，導致電極材料的粉化和電化學性能的急劇衰減，嚴重限制了其商業化應用。對Co₃O₄電極材料進行納米尺度的微觀結構設計，比如：空心核殼結構可以有效地緩沖體積的形變，釋放脫嵌鋰過程的中所受的機械應力。分層多孔結構可以使納米電極材料與電解液接觸更加充分，導致鋰離子可以更快的進入電極材料內部傳輸。因此，合理設計具有形貌可控、尺寸均勻且多層次的空心核殼結構的Co₃O₄納米材料具有極其重要的意義。

Co₃O₄的制備方法主要有水熱合成法、電化學沉積法、高溫熱分解法、均勻沉淀法、溶膠-凝膠法等。目前制備納米級Co₃O₄主要存在分散性差，形貌可控性差，工藝流程長，成本高且生成過程中易產生含鈷離子、硫酸根、氨氮等廢水的問題。文獻[ACS AppliedMaterial Interfaces,2014,6:7117-7125]采用高溫水熱法制備了比表面積很小的Co₃O₄納米顆粒，在脫嵌鋰過程中發生嚴重的團聚現象導致容量急劇下降。文獻[ACS Nano,2015,9:1775-1781]采用高溫熱分解法得到了空心結構的Co₃O₄納米顆粒，在循環中利用空心結構的特有優勢很好地緩解了容量衰減過快的問題。上述方法制備的Co₃O₄納米材料雖然一定程度上解決了脫嵌鋰過程中的電極材料體積膨脹的問題。但是上述方法都存在步驟繁瑣，合成效率低，形貌可控性差等特點。近年來利用金屬有機框架結構做模板是一種制備具有特定形貌的納米材料的重要途徑，通過無機鹽與有機配體的自組裝形成的金屬有機骨架(MOF)具有多種結構和形態，例如八面體，球形和十二面體顆粒等。但是，通過這種方法合成具有分層空心核殼結構的Co₃O₄卻鮮有報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種分層的空心核殼結構的Co₃O₄的制備方法。