一种四氧化三钴及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种四氧化三钴及其制备方法、应用，涉及化工材料技术领域。四氧化三钴的制备方法包括以下步骤：将六水合硝酸钴溶解于有机醇中，得到溶解物，加入无水乙二胺调节溶解物的pH为8～12，然后利用溶剂热法进行反应，退火；其中，六水合硝酸钴与有机醇的用量比为145～295mg：20ml，六水合硝酸钴与无水乙二胺的摩尔比为1:0.5～5。利用本发明专利技术提供的四氧化三钴的制备方法能够制得尺寸、形貌均一的四氧化三钴纳米颗粒，从而有效提高四氧化三钴的催化性能。

Four oxidation cobalt three, preparation method and application thereof

The invention provides a four oxidation of cobalt three, a preparation method and an application thereof, and relates to the technical field of chemical materials. Four preparation methods of cobalt oxide three comprises the following steps: Six hydrated cobalt nitrate dissolved in organic alcohol, was dissolved, adding anhydrous ethylenediamine adjusted dissolved pH was 8 ~ 12, and then use the solvothermal reaction, including annealing; six hydrated cobalt nitrate and organic alcohol consumption ratio is 145 to 295mg:20ml, the molar ratio of six hydrated cobalt nitrate with ethylenediamine as 1:0.5 ~ 5. By using the method of preparing the four oxidation cobalt of the invention, the cobalt oxide nanoparticles with the same size and morphology can be prepared, so as to effectively improve the catalytic performance of the cobalt oxide with the four oxidation of the same as that of the by the method of the invention, and the invention can effectively improve the catalytic performance of the four oxidation of the cobalt oxide.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化工材料
，具体而言，涉及一种四氧化三钴及其制备方法、应用。
技术介绍
在能源与环境为主题的新世纪，开发利用清洁的可再生能源，改变能源结构已经成为全球的迫切需求。燃料电池和金属-空气电池是近年来迅速发展的新储能电池体系，在移动电子产品、电动汽车、军事、航天等诸多领域有着重要的应用前景，是最有前途的新电池。燃料电池将化学能转变成为电能，具有转换效率高、能量密度大、环境污染小、运行过程中噪音低、可实现热电联供、副产品可用作工业原料等优点。金属-空气电池具有极高的理论能量密度(接近燃油系统)，环境友好、成本低廉，因此上述两种电池是近年电池领域的新热点。在这两种电池反应中都涉及到氧化还原反应，但是氧化还原反应本身是一个动力学缓慢过程，其会导致电池产生较高的电位损失和较低的转化效率，严重制约了燃料电池和金属-空气电池的商业化发展。若要加快氧化还原反应的动力学性能，则需要添加催化剂，才能够有效提高电池的性能，因此，开发低成本、高效率、稳定的氧化还原催化剂，具有重要的理论和实践意义。此外，氧化还原催化剂本身也是应用广泛，不仅在电池领域，在氯碱工业、电解碳酸钠和腐蚀防护等领域都具有优良的应用前景。目前，氧化还原催化剂主要有铂基贵金属催化剂和非贵金属催化剂两大类。虽然铂基贵金属催化剂性能好，但是其价格昂贵、循环性能差，因此限制了其应用。非贵金属催化剂由于成本低，成为近年的研究热点。而非贵金属催化剂中，过渡金属氧化物是电催化领域研究最广泛的一类物质。钴氧化物活性高、成本低、热稳定性好、电阻小、对环境友好，是优良的氧还原催化剂材料。四氧化三钴中钴离子具有多种化合价，不仅可以同时催化氧还原和氧生成反应，还可以催化碱性介质中的有机电氧化反应。这种混合化合价的存在，为氧气的化学吸附提供了活性位点，而且电子在不同价态的阳离子之间的转移降低了活化能，从而表现出了相对较高的导电性。因此，四氧化三钴具有非常广泛的应用领域，如传感器、超级电容器、催化剂、磁性半导体、电池材料等。目前，制备四氧化三钴的方法主要有水热法、溶剂热法、沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、热分解法、电化学法等。其中，溶剂热法生产成本低、工艺简单、制备出的晶体结构较完整、结晶性好，己成为制备金属氧化物的重要方法。而利用现有的溶剂热法进行制备，通常需要加入表面活性剂，制得的四氧化三钴是独立分散的球状、棒状、片状等(Mater.Lett.2010,64:1275-1278；Solid State Sci.2009,11:108-112)，四氧化三钴颗粒尺寸、形貌不一。最近的研究又表明，纳米材料(包括四氧化三钴)的颗粒尺寸、形貌与三维空间结构会显著影响材料的催化性能。因此，选取新的溶剂热反应体系，制备尺寸与形貌均一、具有特殊三维空间结构的四氧化三钴纳米颗粒具有重要的理论和实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种四氧化三钴的制备方法，利用该方法能够制得尺寸、形貌均一的四氧化三钴纳米颗粒，从而有效提高四氧化三钴的催化性能。本专利技术的另一目的在于提供一种四氧化三钴，此四氧化三钴的尺寸、形貌均一，综合性能较好。本专利技术的另一目的在于提供四氧化三钴在新能源电池中的应用。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：一种四氧化三钴的制备方法，包括以下步骤：将六水合硝酸钴溶解于有机醇中，得到溶解物，加入无水乙二胺调节溶解物的pH为8～12，然后利用溶剂热法进行反应，退火；其中，六水合硝酸钴与有机醇的用量比为145～295mg：20ml，六水合硝酸钴与无水乙二胺的摩尔比为1:0.5～5。优选地，在本专利技术较佳实施例中，上述溶解时间为8～12min，加入无水乙二胺后，需搅拌4～6min。优选地，在本专利技术较佳实施例中，上述反应具体为：在150～220℃下反应3～10h。优选地，在本专利技术较佳实施例中，在反应之后，在退火之前，还包括：待反应后的物质降至5～40℃，洗涤。优选地，在本专利技术较佳实施例中，上述退火包括：以1.5～2.5℃/min的速度加热至300～800℃，然后保温3～6h，再以8～12℃/min的速度冷却。优选地，在本专利技术较佳实施例中，上述有机醇为乙二醇。优选地，在本专利技术较佳实施例中，上述溶解时，还包括：将碳基材料和/或贵金属溶解于有机醇中。另外，一种四氧化三钴，是利用上述的四氧化三钴的制备方法制得。另外，上述四氧化三钴在新能源电池中的应用。优选地，在本专利技术较佳实施例中，上述四氧化三钴在燃料电池、金属-空气电池中作为氧化还原反应催化剂的应用。相对于现有技术，本专利技术包括以下有益效果：本专利技术的原料中引入了有机醇作为反应介质，其可以同时作为温和的还原剂，由于反应介质的粘度高，沸点适中，所以可以有效的抑制四氧化三钴的纳米颗粒在溶剂中的团聚，防止颗粒尺寸增长。此外，无水乙二胺是作为还原剂，其具有良好的配位能力，还可以调控溶剂的pH，促进六水合硝酸钴的反应，因而可以获得尺寸、形貌的均一性较好的四氧化三钴纳米颗粒。利用本专利技术提供的方法制得的四氧化三钴纳米材料颗粒尺寸可以控制在20nm左右，并能够形成三维枝状纳米结构，比表面积大，具有更多的反应位点，可以显著提高氧化还原动力学性能。因此，与普通的四氧化三钴颗粒相比，本专利技术制得的四氧化三钴纳米颗粒具有更快的氧化还原反应速度和更好的循环性能，是性能优良的氧化还原催化剂，在燃料电池、金属-空气电池等新能源电池领域具有极其重要的应用价值和广泛的应用前景。附图说明为了更清楚的说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是本专利技术实施例一提供的四氧化三钴的透射电子显微镜的示意图；图2是本专利技术实施例一提供的四氧化三钴的扫描电子显微镜的示意图；图3是本专利技术实施例一提供的四氧化三钴的XRD谱图；图4是本专利技术实施例一提供的四氧化三钴作为氧化还原催化剂的电化学性能显示图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例的四氧化三钴及其制备方法、应用进行具体说明。四氧化三钴的制备方法包括以下步骤：将六水合硝酸钴溶解于有机醇中，得到溶解物，加入无水乙二胺调节溶解物的pH为8～12，然后利用溶剂热法进行反应，退火；其中，六水合硝酸钴与有机醇的用量比为145～295mg：20ml，六水合硝酸钴与无水乙二胺的摩尔比为1:0.5～5。上述制备方法中，六水合硝酸钴和有机醇的添加顺序并没有要求，将有机醇加入六水合硝酸钴中也行，将六水合硝酸钴加入有机醇中也行。有机醇为乙二醇。当然，选用其它的有机醇也可以，如1,2-丙二醇、丙三醇。将六水合硝酸钴加入到有机醇中后，溶解的时间为8～12min，如此，能够保证溶解充分。加入无水乙二胺后，需搅拌4～6min，以使各成分原料混合均匀，保证无水乙二胺对溶解物的pH的调节。优选调节溶解物的pH为8～10。溶解时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四氧化三钴的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将六水合硝酸钴溶解于有机醇中，得到溶解物，加入无水乙二胺调节所述溶解物的pH为8～12，然后利用溶剂热法进行反应，退火；其中，所述六水合硝酸钴与所述有机醇的用量比为145～295mg：20ml，所述六水合硝酸钴与所述无水乙二胺的摩尔比为1:0.5～5。

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三钴的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将六水合硝酸钴溶解于有机醇中，得到溶解物，加入无水乙二胺调节所述溶解物的pH为8～12，然后利用溶剂热法进行反应，退火；其中，所述六水合硝酸钴与所述有机醇的用量比为145～295mg：20ml，所述六水合硝酸钴与所述无水乙二胺的摩尔比为1:0.5～5。2.根据权利要求1所述的四氧化三钴的制备方法，其特征在于，所述溶解时间为8～12min，加入所述无水乙二胺后，需搅拌4～6min。3.根据权利要求1所述的四氧化三钴的制备方法，其特征在于，所述反应具体为：在150～220℃下反应3～10h。4.根据权利要求1所述的四氧化三钴的制备方法，其特征在于，在所述反应之后，在所述退火之前，还包括：待...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲江兰，
申请(专利权)人：北京农学院，
类型：发明
国别省市：北京;11