一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法技术

本发明专利技术提供一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法，该材料的制备方法包括以下步骤：(1)将金属盐，聚乙二醇(PEG)加入到去离子水中形成均一的溶液A；(2)在搅拌下向步骤(1)所得的溶液A中加入水溶性有机胺，得到混合物B；(3)将步骤(2)中得到的混合物B继续搅拌5‑120min后转移到反应釜中进行水热反应；(4)将步骤(3)中反应得到的产物进行洗涤、分离、干燥和焙烧后得到海胆状四氧化三钴氧化物材料。本发明专利技术实验操作方法简单，原料价格低廉，只需以去离子水作为溶剂，环境友好，易于放大规模生产。

A preparation method of sea urchin-like cobalt trioxide material

The invention provides a preparation method of sea urchin-like cobalt tetroxide material, which comprises the following steps: (1) adding metal salts and polyethylene glycol (PEG) into deionized water to form a homogeneous solution A; (2) adding water-soluble organic amines into the solution A obtained in the downward stirring step (1) to obtain mixture B; (3) stirring the mixture B obtained in the step (2) to continue stirring for 5 to 120 minutes. The product was washed, separated, dried and roasted to obtain sea urchin-like cobalt oxide material. The experimental method of the invention is simple, the raw material price is low, only deionized water is used as the solvent, the environment is friendly, and the scale-up production is easy.

【技术实现步骤摘要】
一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法
本专利技术属于微纳米材料领域，具体涉及一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法。
技术介绍
四氧化三钴(Co3O4)是一种黑色粉末，其密度约为6.0-6.2g/m3，分子量为240.80。四氧化三钴为立方晶系，晶格参数为a＝0.811nm，空间群为Fd3m，属于正常的AB2O4尖晶石结构。四氧化三钴在光电器件、化学储能、化学传感器、多相催化等领域都具有广泛的应用。由于四氧化三钴具有优越的性能以及广泛的应用，目前研究者进行了大量的研究并制备出不同形貌的四氧化三钴，例如纳米球、纳米管、纳米盘、纳米立方、纳米棒、纳米带和纳米片等形貌的四氧化三钴。一些更为复杂的结构如花状、蜂窝状、空心球状等也有相关报道。其中，海胆状四氧化三钴由于其复杂的结构和独特的性能，虽然吸引了一批研究学者的关注，但其相关专利的报道仍较少。Li等人以硫酸钴，尿素，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，去离子水为原料，利用水热法制备了海胆状的四氧化三钴(H.Li,G.T.Fei,M.Fang,P.Cui,X.Guo,P.Yan,L.D.Zhang,AppliedSurfaceScience257(2011)6527-6530)；Rui等人以硝酸钴，尿素，NH4F，去离子水为原料，利用水热法制备了海胆状的四氧化三钴(X.Rui,H.Tan,D.Sim,W.Liu,C.Xu,H.H.Hng,R.Yazami,T.M.Lim,Q.Yan,JournalofPowerSources222(2013)97-102)；Zhu等人以硝酸钴，碳酸氢铵，硫酸铵，乙醇为原料，利用沉淀法制备了海胆状四氧化三钴(C.Zhu,G.Saito,T.Akiyama,JournalofAlloysandCompounds646(2015)639-646.)；Xiao等人以硝酸钴，乙二醇，葡萄糖和去离子水为原料，利用水热法制备了海胆状四氧化三钴(Y.Xiao,S.Liu,F.Li,A.Zhang,J.Zhao,S.Fang,D.Jia,AdvancedFunctionalMaterials22(2012)4052-4059)；Zhang等人以钴盐、表面活性剂、双氧水、去离子水为原料，利用水热法制备了海胆状四氧化三钴(Y.Zhang,Y.Liu,S.Fu,F.Guo,Y.Qian,MaterialsChemistryandPhysics104(2007)166-171.)；中国专利201110453871.5公开了一种以硝酸钴、乙二醇、去离子水和葡萄糖为原料，利用水热法合成海胆状四氧化三钴的制备方法；中国专利201210360741.1公开了一种将氯化钴水溶液与丙三醇混合，加入尿素反应、除杂、煅烧，得到海胆状分级结构四氧化三钴纳米球的制备方法。中国专利201610725892.0公开了一种以碳球为模板，以醋酸钴、尿素，加入或不加入聚乙烯吡咯烷酮为原料，利用水热法合成海胆状四氧化三钴的制备方法。以上相关制备海胆状四氧化三钴的方法过程复杂，反应条件敏感苛刻；同时还需要有机溶剂作为溶剂或需要矿化剂作为结构导向剂，成本较高，易造成污染环境、不适合规模化生产。为此，寻求一种合成方法简单、反应条件温和的海胆状四氧化三钴材料制备方法尤为必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法，本专利技术所述的海胆状四氧化三钴材料采用水热法制备，该材料制备方法简单、成本低廉、易于大规模生产。一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法，包括以下步骤：1)将金属盐，聚乙二醇(PEG)加入到去离子水中形成均一溶液A；2)在搅拌下向步骤1)所得的溶液A中加入水溶性有机胺，得到混合物B；3)将步骤2)中得到的混合物B继续搅拌5-120min后转移到反应釜中进行水热反应；4)将步骤3)反应得到的产物进行洗涤，分离，干燥和焙烧后得到海胆状四氧化三钴。其中：步骤1)所述金属盐为钴的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐或氯化物。步骤1)中所述金属盐的浓度为0.01-5mol/L；优选浓度为0.02-3mol/L；最佳浓度为0.02-1mol/L。步骤1)中所述聚乙二醇包括具有不同分子量的聚乙二醇(PEG)，具体包括PEG-200，PEG-400，PEG-600，PEG-800，PEG-1000，PEG-1500，PEG-2000，PEG-4000，PEG-6000，PEG-8000，PEG-10000，PEG-20000等不同分子量的聚乙二醇；以去离子水的质量为基准，聚乙二醇的质量浓度范围为0.1％-40％；优选为1％-20％.其中步骤2)中所用水溶性有机胺包括正丁胺、环己胺、叔丁胺、丙胺、己二胺、乙二胺、1,2-丙二胺，1,4-丁二胺、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种或两种以上的混合。步骤2)中所述水溶性有机胺的浓度为5-300g/L；优选浓度为10-250g/L；最佳浓度为20-200g/L。步骤3)中混合溶液B的搅拌时间为5-120min；优选搅拌时间为15-90min；最佳搅拌时间为30-60min。步骤3)中水热反应温度为100-220℃，优选反应温度为100-200℃，水热反应时间为5-48h；优选反应时间为12-48h。步骤4)中洗涤过程中的洗涤液为去离子水、乙醇、异丙醇中的一种或两种以上。步骤4)中焙烧温度为300-600℃，优选焙烧温度为350-500℃；焙烧时间为1-6h，优选焙烧时间为2-5h。本专利技术所制备的一种海胆状四氧化三钴材料，产品纯度高，收率高达95％以上。经过XRD衍射分析，结果与四氧化三钴标准谱图(42-1467)高度吻合，说明产品是纯相的四氧化三钴，没有其他杂质。同时，对不同产品进行扫面电子显微镜(SEM)观察，发现其海胆状四氧化三钴的直径约为8-10μm。本专利技术的有益效果如下：1)本专利技术实现了水热反应中不加入作为溶媒的有机溶剂、作为矿化剂的盐类而得到了海胆状四氧化三钴。2)本专利技术制备条件温和、过程简单、污染小、有利于大规模生产。3)本专利技术通过调节原料浓度、水热反应时间和温度来调控四氧化三钴的形貌、结构和尺寸，调控手段易于实施，易于实现工业化合成。附图说明图1为实施例1-5所得产物M-1、M-2、M-3、M-4和M-5的XRD谱图，图中a、b、c、d和e曲线分别对应M-1、M-2、M-3、M-4和M-5的XRD谱图；图2为实施例1所得到的海胆状四氧化三钴材料M-1的SEM图；图3为实施例2所得到的海胆状四氧化三钴材料M-2的SEM图；图4为实施例3所得到的海胆状四氧化三钴材料M-3的SEM图；图5为实施例4所得到的海胆状四氧化三钴材料M-4的SEM图；图6为实施例5所得到的海胆状四氧化三钴材料M-5的SEM图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，以下结合几个实施例对本专利技术予以进一步说明，但不因此而限制本专利技术。实施例1称取50g六水合硝酸钴，20gPEG-600溶于70ml去离子水中，在剧烈搅拌下加入15g乙二胺胺形成混合物，并将此混合物继续搅拌5min之后置于带有100ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在150℃下水热反应20h。待反应结束后将产物过滤，用水和乙醇各洗涤三次，在真空干燥箱中60℃干燥10h，再将干燥得到的产物在400℃下焙烧3h，最后得到海本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：(1)将金属盐，聚乙二醇加入到去离子水中形成均一的溶液A；(2)在搅拌下向步骤(1)所得的溶液A中加入水溶性有机胺，得到混合物B；(3)将步骤(2)中得到的混合物B继续搅拌5‑120min后转移到反应釜中进行水热反应；(4)将步骤(3)中反应得到的产物进行洗涤、分离、干燥和焙烧后得到海胆状四氧化三钴氧化物纳米材料；步骤(1)中所述金属盐的浓度为0.01‑5mol/L，以去离子水的质量为基准，聚乙二醇的质量浓度范围为0.1％‑40％；步骤(2)中水溶性有机胺的浓度为5‑300g/L。

【技术特征摘要】
1.一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：(1)将金属盐，聚乙二醇加入到去离子水中形成均一的溶液A；(2)在搅拌下向步骤(1)所得的溶液A中加入水溶性有机胺，得到混合物B；(3)将步骤(2)中得到的混合物B继续搅拌5-120min后转移到反应釜中进行水热反应；(4)将步骤(3)中反应得到的产物进行洗涤、分离、干燥和焙烧后得到海胆状四氧化三钴氧化物纳米材料；步骤(1)中所述金属盐的浓度为0.01-5mol/L，以去离子水的质量为基准，聚乙二醇的质量浓度范围为0.1％-40％；步骤(2)中水溶性有机胺的浓度为5-300g/L。2.根据权利要求1所述的一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述金属盐为钴的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐或氯化物。3.根据权利要求1所述的一种海胆状四氧化三钴材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述聚乙二醇为具有不同分子量的聚乙二醇，具体包括PEG-200，PEG-400，PEG-600，PEG-800，PEG-1000，PEG-1500，PEG-2000，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王胜，陈志萍，王树东，汪明哲，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21