一种CoO纳米材料形貌调控的合成方法技术

本发明专利技术公开了一种CoO纳米材料形貌调控的合成方法,本发明专利技术采用的水热/溶剂热方法制备不同形貌结构的CoO纳米材料，方法简单可行。经气敏测试，三种形貌的CoO气敏传感器最佳工作温度与其他p型半导体气敏传感器相比，其工作温度相对较低，气敏性能突出。

【技术实现步骤摘要】
一种CoO纳米材料形貌调控的合成方法
本专利技术属于半导体材料工程领域，具体涉及不同形貌CoO纳米材料的合成方法。
技术介绍
作为一种过渡金属氧化物，CoO纳米材料因其独特的结构与性能，逐渐受到关注。CoO纳米材料可应用于不同领域，如可作为催化剂、镍镉和镍氢电池的活性添加剂、磁记录介质的非磁性基体成分、铁磁体原材料，以及气敏材料等。CoO材料应用于气敏方向时，不同形貌的CoO包括不同的晶粒尺寸，颗粒间的接触面积等因素，都对于CoO半导体与气体反应有重要影响。对于零维CoO纳米粒子材料，晶粒尺寸较小、堆积孔隙率较大的纳米颗粒样品对敏感气体的响应量更大；对于不同维度的纳米片与纳米颗粒的气敏性能存在较大差距，这归结为纳米颗粒样品比表面积大于纳米片，比表面积越大，纳米CoO材料的敏感性能越强，但同时，二维纳米片的晶相取向性也对提高气敏性能有益。因此，晶粒尺寸、孔隙结构、晶体取向和比表面积等微观形貌的改善对提高CoO的气体敏感响应量有重要作用。目前报道的CoO纳米材料制备方法有很多，如水热-溶剂热法、有机合成法、化学气相沉积法等。
技术实现思路
本专利技术提供了一种通过调节工艺参数，对CoO纳米材料进行形貌调控的合成方法。本专利技术采用钴源无机盐和形貌调控剂(尿素、氨水、NaOH等)，进行水热/溶剂热反应，得到前驱体沉淀，沉淀经过水洗、醇洗后烘干，在氩气气氛中进行烧结，最终得到黑色的CoO零维、一维、二维纳米材料。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种CoO纳米材料形貌调控的合成方法，CoO纳米材料按照形貌分为零维CoO纳米颗粒、一维CoO纳米棒和二维CoO纳米片，三种形貌的CoO纳米材料按照下列步骤进行合成：步骤一、对于制备零维CoO纳米颗粒，取摩尔比为(1-3)：200的醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)和乙醇放入容器中；对于制备一维CoO纳米棒，分别取摩尔比为(1-3)：(4-6)：1300的硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)，尿素(CO(NH2)2)和去离子水放入容器中；对于制备二维CoO纳米片，称取摩尔比为(1-2)：(2-5)：280的醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)，氢氧化钠(NaOH)和去离子水放入容器中；步骤二、用磁力搅拌器搅拌至溶质全部溶解，得到澄清的紫红色混合溶液；步骤三、将混合溶液转移到水热釜内衬中，使混合溶液体积占水热反应釜容积的60-80％，在100-180℃温度下加热反应6-18h，自然冷却到室温，得到含有紫红色沉淀的液体；步骤四、水热反应后离心分离得到沉淀，用去离子水、乙醇洗涤沉淀3-4次后，放置于60-80℃真空烘箱中烘干3-6h，得到干燥的前驱体粉末；步骤五、将前驱体粉末置于氩气气氛炉中，以室温20-25度开始，以3-5℃/min的升温速率升温至350-500℃，保温3-6h，随炉降至室温，最终得到黑色的CoO零维、一维、二维纳米材料。在上述技术方案中，在步骤一中，所述的醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)和乙醇的摩尔比优选为1：200。在上述技术方案中，在步骤一中，所述的硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)，尿素(CO(NH2)2)和去离子水的摩尔比优选为1：5：1300。在上述技术方案中，在步骤一中，所述的醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)，氢氧化钠(NaOH)和去离子水的摩尔比优选为1：2：280。在上述技术方案中，在步骤三中，所述的加热温度优选为120-160℃。在上述技术方案中，在步骤三中，所述的加热时间优选为10-14h。在上述技术方案中，在步骤五中，所述的升温温度优选为400-450℃。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用的水热/溶剂热方法制备不同形貌结构的CoO纳米材料，方法简单可行。经气敏测试，三种形貌的CoO气敏传感器最佳工作温度与其他p型半导体气敏传感器相比，其工作温度相对较低，气敏性能突出。附图说明图1为零维CoO纳米颗粒SEM图。图2为一维CoO纳米棒SEM图。图3为二维CoO纳米片SEM图。图4为不同形貌CoO纳米材料响应量随乙醇浓度变化趋势图。图5为不同形貌CoO纳米材料对100ppm不同气体的选择性柱状示意图。图6为旁热式气敏传感器制备结构示意图，其中1为Au电极，2为螺旋式加热丝，3为Al2O3陶瓷管，4为Pt丝引线。图7为零维CoO纳米颗粒XRD图。图8为一维CoO纳米棒XRD图。图9为二维CoO纳米片XRD图。具体实施方式下面结合附图与具体的实施方式对本专利技术作进一步详细描述：实施例1：步骤一、称取0.996g醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)，溶解于50mL无水乙醇中，到澄清的紫红色溶液；步骤二、在上述溶液中缓慢滴加3mol/L氨水调节溶液至pH＝9，磁力搅拌30min；步骤三、将混合溶液转移到100mL的水热釜内衬中，在140℃温度下水热反应18h，自然冷却到室温；步骤四、水热反应后离心分离得到褐色沉淀，用去离子水、乙醇洗涤3次，放置于70℃真空烘箱中烘干6h；步骤五、将前驱体粉末置于氩气气氛炉中，以室温20-25度开始，以3-5℃/min的升温速率升温至350-500℃，保温3-6h，随炉降至室温，最终得到零维CoO纳米颗粒样品，形貌如图1所示。实施例2：步骤一、1.536g硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和1.584g尿素(CO(NH2)2)分别溶于132mL去离子水中；步骤二、将得到的尿素溶液逐滴滴加到硝酸钴溶液中，磁力搅拌20min。步骤三、将混合溶液转移到100mL的水热釜内衬中，反应釜的填充度约为88％，将反应釜密封后置于100℃烘箱中进行水热反应，反应6h，自然冷却到室温；步骤四、离心分离得到沉淀，用去离子水、乙醇洗涤3次，除去残余的纳米颗粒杂物。然后放置于60℃真空烘箱中烘干4h，得到干燥的紫粉色前驱体粉末。步骤五、以5℃/min的升温速率升温至350℃，保温4h，随炉降至室温，得到黑色的一维CoO纳米棒样品，形貌如图2所示。实施例3：称取5.979g醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)和1.920g氢氧化钠(NaOH)溶解于120mL去离子水中，磁力搅拌溶解。将120mL氢氧化钠溶液缓慢滴加到醋酸钴溶液中，室温下搅拌20min得到混合均一溶液。将混合溶液等体积转移至三个100mL水热釜中，反应釜的填充度约为80％。将反应釜密封后置于140℃烘箱中进行水热反应，反应10h后，自然冷却至室温。离心分离得到沉淀，用去离子水、乙醇洗涤3次，然后放置于60℃真空烘箱中烘干6h，得到干燥的紫粉色前驱体粉末。所得前驱体粉体装于坩埚中转移至氩气气氛炉中，以5℃/min的升温速率升温至500℃，保温4h，随炉降至室温，得到二维CoO纳米片样品，形貌如图3所示；CoO纳米材料微观形貌分析：零维CoO纳米颗粒的SEM微观形貌图如图1所示，呈现纳米球状，纳米球尺寸比较均匀，大多数球体之间相互连接，直径在400～600nm之间；每个纳米球则是由棱长约为30～50nm的小三棱锥依次堆积而成，小椎体之间排列紧密，导致纳米球表面基本无空隙。一维CoO纳米棒样品的SEM图像如图2所示，纳米棒，其表面光滑，长度、直径分布较均匀，纳米棒棒端部位较细，类似针尖形状，长度维持在3～4μm之间，直径约为100～150nm，长径比达到20～40；二维Co本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CoO纳米材料形貌调控的合成方法，其特征在于：CoO纳米材料按照形貌分为零维CoO纳米颗粒、一维CoO纳米棒和二维CoO纳米片，三种形貌的CoO纳米材料按照下列步骤进行合成：步骤一、对于制备零维CoO纳米颗粒，取摩尔比为(1‑3)：200的醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)和乙醇放入容器中；对于制备一维CoO纳米棒，分别取摩尔比为(1‑3)：(4‑6)：1300的硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)，尿素(CO(NH2)2)和去离子水放入容器中；对于制备二维CoO纳米片，称取摩尔比为(1‑2)：(2‑5)：280的醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)，氢氧化钠(NaOH)和去离子水放入容器中；步骤二、用磁力搅拌器搅拌至溶质全部溶解，得到澄清的紫红色混合溶液；步骤三、将混合溶液转移到水热釜内衬中，使混合溶液体积占水热反应釜容积的60‑80％，在100‑180℃温度下加热反应6‑18h，自然冷却到室温，得到含有紫红色沉淀的液体；步骤四、水热反应后离心分离得到沉淀，用去离子水、乙醇洗涤沉淀3‑4次后，放置于60‑80℃真空烘箱中烘干3‑6h，得到干燥的前驱体粉末；步骤五、将前驱体粉末置于氩气气氛炉中，以室温20‑25度开始，以3‑5℃/min的升温速率升温至350‑500℃，保温3‑6h，随炉降至室温，最终得到黑色的CoO零维、一维、二维纳米材料。...

【技术特征摘要】
1.一种CoO纳米材料形貌调控的合成方法，其特征在于：CoO纳米材料按照形貌分为零维CoO纳米颗粒、一维CoO纳米棒和二维CoO纳米片，三种形貌的CoO纳米材料按照下列步骤进行合成：步骤一、对于制备零维CoO纳米颗粒，取摩尔比为(1-3)：200的醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)和乙醇放入容器中；对于制备一维CoO纳米棒，分别取摩尔比为(1-3)：(4-6)：1300的硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)，尿素(CO(NH2)2)和去离子水放入容器中；对于制备二维CoO纳米片，称取摩尔比为(1-2)：(2-5)：280的醋酸钴(Co(Ac)2·4H2O)，氢氧化钠(NaOH)和去离子水放入容器中；步骤二、用磁力搅拌器搅拌至溶质全部溶解，得到澄清的紫红色混合溶液；步骤三、将混合溶液转移到水热釜内衬中，使混合溶液体积占水热反应釜容积的60-80％，在100-180℃温度下加热反应6-18h，自然冷却到室温，得到含有紫红色沉淀的液体；步骤四、水热反应后离心分离得到沉淀，用去离子水、乙醇洗涤沉淀3-4次后，放置于60-80℃真空烘箱中烘干3-6h，得到干燥的前驱体粉末；步骤五、将前驱体粉末置于氩气气氛炉中，以室温20-25度开始...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦茜茜，李晓雷，季惠明，王鸣婧，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12