本发明专利技术涉及一类原位生长三维多级结构四氧化三钴微纳米材料、可控制备及应用,是以钴原料、氟化铵、尿素为原料、水为溶剂密闭恒温反应，在基底上得到一类具有多种特定形貌三维多级结构的微纳米材料。此种原位可控制备方法简单易行、操作性强、成本低廉、绿色环保，解决了传统纳米粉体应用于器件时步骤繁琐、与基底结合不牢、重复性差、电子传输性差等问题。所得产品形貌多样、尺寸均匀、不易团聚、纯度高，其三维孔道及多级结构有利于电子传输。以此种材料为对电极的染料敏化太阳能电池获得了高于贵金属铂的光电转换效率，解决了铂成本高、储量有限等问题，此外还有望在超级电容器、锂离子电池、传感器、磁性材料、催化等领域得到广泛应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一类无机非金属材料、可控制备及应用，尤其涉及一类原位生长三维 多级结构四氧化三钴微纳米材料、可控制备及应用。
技术介绍
四氧化三钴（Co3O4)是一种重要的无机非金属材料，由于独特的物化性质，如理论 电容高、大小形状可控、结构形貌易调、化学性质稳定、来源广泛、成本低廉、环境友好等，从 而在超级电容器、锂离子电池、传感器、电致变色器件、陶瓷、催化剂、磁性材料、颜料等诸多 领域具有重要的应用价值。Co3O4的微观结构，如晶相结构、微观形貌、尺寸大小、表面积等 是影响和决定其应用性能的关键因素，因此如何对具有特殊形貌的Co3O4进行可控制备从 而实现其特定功能至关重要。 目前，Co3O4的制备方法有很多，如沉淀法、机械球磨法、热分解法、水热法等，相应 合成了多种形貌的Co3O4纳米材料，包括纳米粒子、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米片、纳米立 方体、纳米球等。但是将合成的纳米粉体应用于器件时需要通过特定的工艺步骤及繁琐的 处理过程相应转移并固定至基底上，并且存在与基底结合不牢固、重复性差、电子传输性 差等问题影响器件性能。此外，由于多级结构纳米材料在保持各种常规形貌纳米材料特性 的同时，还具有许多新的特性。因此，采用原位可控制备方法直接在器件基底生长各种特定 形貌、三维多级结构的Co3O4纳米材料吸引了人们的关注。采用原位溶剂热法具有较高的 可调性，可有效控制晶体生长尺寸及形貌，得到的产物颗粒均匀、不易团聚，是一种Co3O4原 位可控制备的有效方法。CN103508496A公开了一种在玻璃基底上制备Co3O4纳米薄膜的方 法，以六水合硝酸钴为原料，以甲醇和水的混合体系为溶剂，加入十六烷基三甲基溴化铵为 表面活性剂，反应釜内180°C下密闭3~24h，洗涤后干燥，250~300°C煅烧，获得由厚度 为200~300nm、长度为2~5iim的纳米片和直径为500~1000 nm的纳米球共同组成的 Co3O4纳米薄膜。该专利技术的特点在于方法简单、可操作性强、成本低、产物纯度高。但是制备 的Co3O4纳米薄膜形貌不均一，同时存在纳米片及纳米球两种形貌，没有实现特定均一形貌 Co3O4纳米材料的可控制备。因此，发展一种原位可控制备方法，可获得多种不同特定均一 形貌、尺寸均匀、具有三维多级结构、特殊性能的Co3O4微纳米材料具有十分重要的意义，并 且目前尚未见文献报道。 由于特殊形貌的Co3O4微纳米材料所具有的特殊性质，在诸多领域具有广泛应用。 其中太阳能电池是一种利用洁净能源太阳能的重要手段。1991年，瑞士联邦理工学院的 nriitZd教授报道了染料敏化太阳能电池（Dye-sensitizedsolarcell,DSC),由于其具有 理论光电转换效率高、原材料丰富、成本低、工艺简单、环境友好等特点，迅速成为全世界前 沿研究的热点。其基本结构主要包括三部分：由纳米半导体和染料敏化剂组成的光阳极、 电解质和对电极。目前，染料敏化太阳能电池的最高光电转换效率已达13%，但仍存在一 些问题如生产成本高严重限制了其产业化进程。对电极是染料敏化太阳能电池的重要组成 部分，传统的贵金属Pt对电极虽然光电转换效率较高，但是存在成本高、价格昂贵、储量有 限、易被碘系电解质腐蚀等缺陷，急需开发成本低廉、性能优异的替代材料。采用简单的原 位溶剂热法直接在导电基底上可控制备多种不同特定形貌、三维多级结构的Co3O4微纳米 材料，并将其应用于染料敏化太阳能电池对电极目前尚未见文献报道。此外，此种原位方法 可通过改变制备条件得到多种特定形貌的微纳米材料，且材料具有形貌均一、尺寸均匀、多 级结构、纯度高等优点，另外具有制作方法简单、可操作性强、成本低廉、绿色环保、适用范 围广等优势，有望在超级电容器、锂离子电池、磁性材料、传感器、电致变色器件、催化剂等 领域得到广泛应用。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种方法简单、可操作性强、成本低廉、绿色 环保、适用范围广的Co3O4微纳米材料原位可控制备方法，此种原位方法可得到多种特定形 貌多级结构的Co3O4微纳米材料，且形貌均一、尺寸均匀、纯度高，光电化学性能良好。此外， 相应提供一类可替代染料敏化太阳能电池中贵金属Pt对电极的、成本低、性能优良的原位 三维多级结构Co3O4微纳米对电极。 为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下： -种原位生长Co3O4微纳米材料的可控制备方法，包括以下步骤： ⑴将钴原料、氟化铵以1:2~1:5的摩尔比混合均匀，加入20~40ml去离子水分 散搅拌5-10min; 其中钴原料选自六水合氯化钴、六水合硝酸钴、七水合硫酸钴中的一种。 ⑵将尿素溶解在10~30ml去离子水中，加入步骤⑴所得溶液，保持尿素与氟化铵 摩尔比为1:1~2:5,分散搅拌5-10min; ⑶对导电基底进行如下预处理：清水冲洗，洗洁精超声5~15min，清水、去离子水 清洗，去离子水超声5~15min，无水乙醇冲洗并超声5~15min，无水乙醇冲洗，干燥； 其中导电基底选自导电玻璃、导电塑料、金属基底中的一种。 ⑷将步骤⑵所得混合溶液转移至高压反应釜的聚四氟乙烯内胆中，放入步骤⑶所 述的导电基底，于1〇〇~150°C密闭恒温反应1~20h后，自然冷却至室温； (5)将步骤⑷中所得反应产物用去离子水洗涤3~5次，于80~90°C干燥3~5h; (6)将步骤(5)中所得反应产物于300~500°C煅烧3~6h，即得各种不同形貌的三 维多级结构Co3O4微纳米材料。 其中的煅烧升温速率为1°C/min。 本专利技术的原位生长Co3O4微纳米材料的可控制备方法，可得多种不同形貌的Co3O4 微纳米材料，且形貌均一、尺寸均匀、具有三维多级结构、纯度高。 本专利技术的另一方面在于：利用上述原位生长Co3O4微纳米材料作为一类染料敏化 太阳能电池的对电极，利用上述原位生长Co3O4微纳米材料的可控制备方法制备一类染料 敏化太阳能电池对电极。 本专利技术与现有技术相比具有以下优点： (1)本专利技术提供了一种方法简单、可操作性强、成本低廉、绿色环保、适用范围广的 Co3O4微纳米材料原位可控制备方法，解决了传统纳米粉体应用于器件时需通过特定的工艺 步骤及繁琐的处理过程相应转移并固定至基底上，且与基底结合不牢固、重复性差、电子 传输性差等问题。 (2)本专利技术提供了一类三维多级结构的Co3O4微纳米材料，可通过改变制备条件 得到多种不同特定形貌，且材料具有形貌均一、尺寸均匀、不易团聚，多级结构、纯度高等特 点。 (3)本专利技术提供的技术可用于制备一系列可替代染料敏化太阳能电池中贵金属 Pt对电极的原位三维多级结构Co3O4微纳米对电极，制备简单、成本低廉、性能优良，解决 了传统Pt对电极成本高、价格昂贵、储量有限等问题，具有广阔的应用前景。 ⑷本专利技术提供的原位生长三维多级结构Co3O4微纳米材料其三维孔道及多级结构 有利于电解液扩散和电子传输，还有望在超级电容器、锂离子电池、磁性材料、传感器、电致 变色器件、催化剂等领域得到广泛应用。【附图说明】 图1是本专利技术制备的原位生长Co3O4微纳米材料的XRD图； 图2~图10是本专利技术制备的各种不同形貌原位生长Co3O4微纳米材料的SEM图；【本文档来自技高网...
【技术保护点】
一类原位生长四氧化三钴微纳米材料，其特征在于所述材料具有三维多级结构，且可通过可控制备得到多种不同形貌。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：苗青青，张锁江，张朋梅，徐慧，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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