一种四氧化三钴管套线结构纳米纤维的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种四氧化三钴管套线结构纳米纤维的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。本发明专利技术采用单轴静电纺丝技术与焙烧技术相结合的方法，制备了Co3O4管套线结构纳米纤维。本发明专利技术包括三个步骤：(1)配制纺丝液；(2)制备Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维，采用单轴静电纺丝技术制备；(3)制备Co3O4管套线结构纳米纤维，采用恰当的加热程序，将复合纳米纤维在空气中进行热处理，得到Co3O4管套线结构纳米纤维，属于立方晶系，管的直径为150±2.9nm，管中纳米线的平均直径为60nm，平均长度大于1μm。本发明专利技术的制备方法简单易行，制备步骤少，可以批量生产，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种四氧化三钴管套线结构纳米纤维的制备方法
本专利技术涉及纳米材料制备
，具体说涉及一种四氧化三钴管套线结构纳米纤维的制备方法。
技术介绍
管套线结构纳米纤维的制备与性质研究，是材料科学、凝聚态物理、化学等学科的前沿热点研究领域之一。管套线结构纳米纤维是指在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的管状材料，纳米管内嵌套纳米线，通常径向尺度为纳米量级，而长度则较大。由于管套线结构纳米纤维的径向尺度小到纳米量级，显示出一系列特性，最突出的是比表面积大，从而其表面能和活性增大，进而产生小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，并因此表现出一系列化学、物理如热、光、声、电、磁等方面的特异性，因此具有更广泛的应用。四氧化三钴Co3O4是一种重要的功能材料，是制备锂离子电池正极材料钴酸锂的主要原料，同时也被广泛应用于超级电容器、锂离子蓄电池负极材料、搪瓷颜料、磁性材料、钴催化剂、氧化剂、钴盐制备、光能吸收器和传感器等领域。目前Co3O4纳米材料的研究主要集中在纳米粒子、纳米棒、纳米针、纳米线、纳米纤维、空心纳米纤维、纳米带、纳米空心球、纳米花和纳米膜等方面。制备方法包括沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热与溶剂热法、热分解法和静电纺丝法等。纳米Co3O4具有优异的催化性能和电化学性能，在催化剂，电池电极和传感器等领域得到了广泛的应用。专利号为1975504的美国专利公开了一项有关静电纺丝方法(electrospinning)的技术方案，该方法是制备连续的、具有宏观长度的微纳米纤维的一种有效方法，由Formhals于1934年首先提出。这一方法主要用来制备高分子纳米纤维，其特征是使带电的高分子溶液或熔体在静电场中受静电力的牵引而由喷嘴喷出，投向对面的接收屏，从而实现拉丝，然后，在常温下溶剂蒸发，或者熔体冷却到常温而固化，得到微纳米纤维。近10年来，在无机纤维制备
出现了采用静电纺丝方法制备无机化合物如氧化物纳米纤维的技术方案，所述的氧化物包括TiO2、ZrO2、Y2O3、Y2O3:RE3+(RE＝Eu、Tb、Er、Yb/Er)、R2O2S:Ln3+(R＝La,Y,Ln＝Eu、Tb、Er、Yb/Er)、LaOX:Ln(X＝F、Cl、Br、I,Ln＝Eu、Tb、Er、Yb/Er)、NiO、Co3O4、Mn2O3、Mn3O4、CuO、SiO2、Al2O3、ZnO、Nb2O5、MoO3、CeO2、LaMO3(M＝Fe、Cr、Mn、Co、Ni、Al)、Y3Al5O12、La2Zr2O7等金属氧化物和金属复合氧化物。通过调节纺丝液的组成，人们已经采用单轴静电纺丝技术制备了Co3O4纳米纤维和空心纳米纤维。利用单轴静电纺丝技术制备无机一维纳米材料时，必须将静电纺丝的产物无机盐/高分子复合纳米纤维或纳米带，在空气中进行高温热处理，才能得到无机氧化物一维纳米材料，产物通常为无机氧化物纳米纤维、空心纳米纤维和纳米带，而得不到管套线结构纳米纤维。采用静电纺丝技术制备管套线结构纳米纤维时，通常纺丝喷丝头为三层同轴喷丝头，使用三种纺丝液，经过静电纺丝后得到三层同轴纳米电缆，再用溶剂萃取或者高温焙烧除去中间层，得到管套线结构高分子或者无机氧化物纳米纤维。赵勇等采用三层同轴喷丝头静电纺丝技术制备了微米管套纳米线结构的核/壳纤维[国家专利技术专利，申请号：201010162567.0；Langmuir,2010,26,11291-11296]。目前未见采用单轴静电纺丝技术在较低的焙烧温度下制备Co3O4管套线结构纳米纤维的报道。利用静电纺丝技术制备纳米材料时，原料的种类、高分子模板剂的分子量、纺丝液的组成、纺丝过程参数和热处理工艺对最终产品的形貌和尺寸都有重要影响。本专利技术先采用单轴静电纺丝技术，以四水合醋酸钴Co(CH3COO)2·4H2O为原料，加入溶剂N,N-二甲基甲酰胺DMF和高分子模板剂聚乙烯吡咯烷酮PVP，得到纺丝液后进行静电纺丝，在最佳的实验条件下，制备出Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维，然后采用恰当的加热程序，将Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维在空气中进行热处理，得到结构新颖、纯相的Co3O4管套线结构纳米纤维。
技术实现思路
在
技术介绍
中的制备Co3O4纳米粒子、纳米棒、纳米线、纳米纤维、空心纳米纤维、纳米带、纳米空心球、纳米花和纳米膜等纳米材料，采用了沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热与溶剂热法、热分解法和静电纺丝法等方法。
技术介绍
中使用单轴静电纺丝技术制备了Co3O4纳米纤维和空心纳米纤维。
技术介绍
中使用三层同轴喷丝头静电纺丝技术制备了微米管套纳米线结构的核/壳纤维。所使用的原料、模板剂、溶剂与本专利技术的方法有所不同。为了在Co3O4纳米材料领域提供一种新型的管套线结构纳米纤维，我们采用单轴静电纺丝技术与焙烧技术相结合，专利技术了Co3O4管套线结构纳米纤维的制备方法。本专利技术是这样实现的，首先制备出用于静电纺丝的具有一定粘度的纺丝液，应用单轴静电纺丝技术进行静电纺丝，在最佳的实验条件下，制备出Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维，然后采用恰当的加热程序，将Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维在空气中进行热处理，制备出了结构新颖纯相的Co3O4管套线结构纳米纤维。其步骤为：(1)配制纺丝液钴源使用的是四水合醋酸钴Co(CH3COO)2·4H2O，高分子模板剂采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，分子量为90000，采用N,N-二甲基甲酰胺DMF为溶剂，将1.20gCo(CH3COO)2·4H2O加入到7.00gDMF中，磁力搅拌溶解后再加入1.80gPVP，继续搅拌12h得到透明的纺丝液；(2)制备Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维将纺丝液注入一支带有1mL塑料喷枪头的10mL注射器中，将石墨棒插入纺丝液中并与高压直流电源的正极接线柱相连，喷枪头与水平面的夹角为30°，以垂直放置的铁丝网作为接收装置并接地，铁丝网与高压直流电源的零电势接线柱相连，喷枪头与接收屏铁丝网的间距为16cm，纺丝电压为13kV，室内温度为20-30℃，相对湿度为20％-50％，进行静电纺丝得到Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维；(3)制备Co3O4管套线结构纳米纤维将所述的Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维置于50ml的坩埚中，盖上坩埚盖，放入高温氧化炉中，以1℃/min的升温速率升至200℃并保温2h，再以1℃/min的升温速率升至380℃并保温2h，之后以1℃/min的降温速率降至200℃，然后随炉体自然冷却至室温，得到Co3O4管套线结构纳米纤维，管的直径为150±2.9nm，管中纳米线的平均直径为60nm，平均长度大于1μm。在上述过程中所述的Co3O4管套线结构纳米纤维具有良好的晶型，属于立方晶系，管的直径为150±2.9nm，管中纳米线的平均直径为60nm，平均长度大于1μm，实现了专利技术目的。附图说明图1是Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维的SEM照片；图2是Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维的直径分布直方图；图3是Co3O4管套线结构纳米纤维的XRD谱图；图4是Co3O4管套线结构纳米纤维的SEM照片，该图兼作摘要附图；图5是Co3O4管套线结构纳米纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四氧化三钴管套线结构纳米纤维的制备方法，其特征在于，采用单轴静电纺丝技术与焙烧技术相结合的方法，使用聚乙烯吡咯烷酮PVP为高分子模板剂，采用N,N‑二甲基甲酰胺DMF为溶剂，制备产物为Co3O4管套线结构纳米纤维，其步骤为：(1)配制纺丝液钴源使用的是四水合醋酸钴Co(CH3COO)2·4H2O，将1.20g Co(CH3COO)2·4H2O加入到7.00g DMF中，磁力搅拌溶解后再加入1.80g PVP，继续搅拌12h得到透明的纺丝液；(2)制备Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维将纺丝液注入一支带有1mL塑料喷枪头的10mL注射器中，将石墨棒插入纺丝液中并与高压直流电源的正极接线柱相连，喷枪头与水平面的夹角为30°，以垂直放置的铁丝网作为接收装置并接地，铁丝网与高压直流电源的零电势接线柱相连，喷枪头与接收屏铁丝网的间距为16cm，纺丝电压为13kV，室内温度为20‑30℃，相对湿度为20％‑50％，进行静电纺丝得到Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维；(3)制备Co3O4管套线结构纳米纤维将所述的Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维置于50ml的坩埚中，盖上坩埚盖，放入高温氧化炉中，以1℃/min的升温速率升至200℃并保温2h，再以1℃/min的升温速率升至380℃并保温2h，之后以1℃/min的降温速率降至200℃，然后随炉体自然冷却至室温，得到Co3O4管套线结构纳米纤维，管的直径为150±2.9nm，管中纳米线的平均直径为60nm，平均长度大于1μm。...

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三钴管套线结构纳米纤维的制备方法，其特征在于，采用单轴静电纺丝技术与焙烧技术相结合的方法，使用聚乙烯吡咯烷酮PVP为高分子模板剂，采用N,N-二甲基甲酰胺DMF为溶剂，制备产物为Co3O4管套线结构纳米纤维，其步骤为：(1)配制纺丝液钴源使用的是四水合醋酸钴Co(CH3COO)2·4H2O，将1.20gCo(CH3COO)2·4H2O加入到7.00gDMF中，磁力搅拌溶解后再加入1.80gPVP，继续搅拌12h得到透明的纺丝液；(2)制备Co(CH3COO)2/PVP复合纳米纤维将纺丝液注入一支带有1mL塑料喷枪头的10mL注射器中，将石墨棒插入纺丝液中并与高压直流电源的正极接线柱相连，喷枪头与水平面的夹角为30°，以垂直放置的铁丝网作为接收装置并接地，铁丝网与高压直流电源的零电势接线柱相连，喷枪...

【专利技术属性】
技术研发人员：于文生，李丹，王悦，马千里，王进贤，宋超，刘桂霞，杨铭，刘哲林，赵博，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22