一种四氧化三钴的无溶剂合成方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种四氧化三钴的无溶剂合成方法及应用，将二价钴源与碱源通过固相研磨的方法充分混合，然后静置加热即可形成，不使用任何的溶剂，而且操作温度相对温和，合成的时空效率较高，对丙酮、甲苯等气体也有较好的气敏性能，除此之外，无溶剂法合成的四氧化三钴具有较高的电容密度，在电池负极材料的应用也有较好的前景。

A solvent-free synthesis method of cobalt tetroxide and its application

【技术实现步骤摘要】
一种四氧化三钴的无溶剂合成方法及其应用
本专利技术公开了一种四氧化三钴的无溶剂合成方法及其应用，涉及四氧化三钴的合成与应用领域。
技术介绍
四氧化三钴是一种宽禁带宽度的半导体材料，禁带宽度为2.1eV，可以用于锂离子电池(Mater.Res.Bull.,1997,32,9-14)、气体传感器(Sens.Actuators,B,2010,146,183-189)、超级电容(J.PowerSources,2010,195,1757-1760)、磁性材料(J.Magn.Magn.Mater.,2002,246,184-190)、多相催化剂(Chem.Mater.,2002,14,3090-3099)等领域。除了在上述方面的潜在应用外，四氧化三钴在锂离子电池负极材料也极具应用前景。目前广泛应用的商业化石墨类碳负极材料具有良好的循环性能，但其比容量(300～350mA·h/g)较低.不能满足高比能量电池的发展要求。迫切需要进行新型高容量负极材料的探索和研究。三氧化二铁(Fe2O3)、四氧化三钴(Co3O4)、氧化镍(NiO)、二氧化锰(MnO2)、二氧化钛(TiO2)和二氧化锡(SnO2)等金属氧化物具有良好的电化学性能，非常有希望成为锂离子电池负极材料。在这些金属氧化物中，四氧化三钴由于具有很高的理论容量，在作为锂电池负极材料方面被广泛研究。四氧化三钴理论比容量达到890mA·h/g，是石墨烯理论容量372mA·h/g的2倍多，极有希望成为下一代锂离子电池负极材料。鉴于四氧化三钴的重要工业应用，其低成本合成方法是材料领域重点研究方向。专利CN101269848A一种高密度球形四氧化三钴的制备方法，它按下述步骤进行：①、首先用去离子水分别将工业级的钴盐与添加剂配制成钴盐浓度为0.5M～10M、添加剂浓度为0.05M～5M的溶液；②、用去离子水将工业级的碱性沉淀剂、络合剂配成碱性沉淀剂浓度为1M～15M、络合剂浓度为0.05M～5M的溶液；③、打开反应容器的搅拌，先投入1升的去离子水做底水，并将底水加热到30℃～70℃。按①∶②＝1.00∶1～4.0，将①、②两种溶液同时加入到反应容器中，控制PH值9～13.5，反应生成的沉淀溢流在另一容器中陈化4～10小时即可；④、然后过滤③项的沉淀，并用滤饼的3～10倍重量的去离子水洗涤1～5次，直到PH小于7.5，然后过滤，滤饼在70～120℃的烘箱中烘4～15小时，即可烘干；⑤、取④项的烘干粉末在350～900℃温度下煅烧2～10小时，得到纯度≥99.5％的高密度球形四氧化三钴。该四氧化三钴的合成方法属于有水合成方法，工业合成时将产生大量的废水。含钴工业废水处理难度大，环保成本高。无溶剂合成是一种绿色经济的粉末材料合成方法，因为合成时避免溶剂的使用，仅通过将合成使用的固体原料进行固相充分研磨，然后密闭加热的方法制备得到所需粉末材料。无溶剂合成方法目前已被报道用于多种纳米材料的化学合成，包括ZSM-5等工业分子筛(JACS,2015,137,1052-1055,JACS,2014,136,4019-4025,Angew.Chem.-Int.Edit.,2013,52,9172-9175)、金属有机框架材料[Cu(INA)2](CrystEngComm,2006,8,211-214)和MAF-4(Chem.Commun.,2011,47,9185-9187)等多孔材料。四氧化三钴尚未见无溶剂合成方法的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种四氧化三钴的无溶剂合成方法。该方法工艺简单、成本低廉、高时空速率。本专利技术的另一目的在于提供无溶剂合成方法合成的四氧化三钴的用途。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种四氧化三钴的无溶剂合成方法,其特征在于，将钴源和碱源MOH，混合在一起充分研磨后置密闭体系中反应5分钟～24小时，然后过滤洗涤干燥，得到四氧化三钴。上述的四氧化三钴的无溶剂合成方法中,所述钴源选自乙酸钴、四水合乙酸钴、七水合硫酸钴的至少一种。上述的四氧化三钴的无溶剂合成方法中,所述碱源MOH可以选择氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化铯中的至少一种。上述的四氧化三钴的无溶剂合成方法中,碱源MOH与钴源中Co2+的摩尔比为MOH/Co2+＝0.05～2。上述的四氧化三钴的无溶剂合成方法中,所述研磨时间为5～10分钟。上述的四氧化三钴的无溶剂合成方法中,所述密闭体系中反应温度为25～180℃。上述的四氧化三钴的无溶剂合成方法中,所述密闭体系中反应时间为5分钟～24小时。上述的四氧化三钴的无溶剂合成方法,详细步骤为：步骤1，称取1g乙酸钴和0.2g的NaOH固体，置于直径6cm的玛瑙研钵中，充分研磨5～10分钟，步骤2，将步骤1得到的黑色固体混合物转移到50mL的带不锈钢外套的四氟乙烯内衬中，拧紧后转移至鼓风干燥箱中，于80℃放置10h，取釜后冷却，产物过滤、水充分洗涤后，60℃条件下烘干得到四氧化三钴。上述的四氧化三钴在制备丙酮或甲苯气敏检测设备中的应用。上述的四氧化三钴在制备电池负极材料中的应用。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提供了一种新的种四氧化三钴的无溶剂法合成方法，该方法合成四氧化三钴至今未见公开报道。(2)本专利技术的四氧化三钴的无溶剂合成方法，工艺简单、成本低廉、高时空速率。避免了废水的排放，有利于环保。(3)本专利技术的四氧化三钴的无溶剂法合成方法，将二价钴源与碱源通过固相研磨的方法充分混合，然后静置加热即可形成，不使用任何的溶剂，而且操作温和相对温和，合成的时空效率较高，对丙酮、甲苯等气体也有较好的气敏性能，除此之外，无溶剂法合成的四氧化三钴具有较高的电容密度，在电池负极材料的应用也有较好的前景。附图说明图1为实施例1合成得到的四氧化三钴的XRD衍射图谱与标准四氧化三钴的XRD衍射图谱的对比图。图2为实施例1合成得到的四氧化三钴的SEM图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步详细介绍。实施例1为四氧化三钴的无溶剂低温合成，包括以下步骤：步骤1，称取1g乙酸钴和0.2的NaOH固体，置于直径6cm的玛瑙研钵中，充分研磨5～10分钟，步骤2，将步骤1得到的黑色固体混合物转移到50mL的带不锈钢外套的四氟乙烯内衬中，拧紧后转移至鼓风干燥箱中，于80℃放置10h，取釜后冷却，产物为白色固体，产物过滤、水充分洗涤后，60℃条件下烘干得到产物四氧化三钴。实施例1合成得到的四氧化三钴的XRD衍射图谱与标准四氧化三钴(JCPDS#43-1003)的XRD衍射图谱的对比图见图1，由图1可知，实施例1得到的四氧化三钴的XRD峰位置与标准四氧化三钴一致，且无其他杂峰出现，表面实施例1合成得到纯相的四氧化三钴。实施例1合成得到的四氧化三钴的SEM图见图2，由图2可知，四氧化三钴为纳米颗粒形貌。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四氧化三钴的无溶剂合成方法,其特征在于，将钴源和碱源MOH，混合在一起充分研磨后置密闭体系中反应5分钟～24小时，然后过滤洗涤干燥，得到四氧化三钴。/n

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三钴的无溶剂合成方法,其特征在于，将钴源和碱源MOH，混合在一起充分研磨后置密闭体系中反应5分钟～24小时，然后过滤洗涤干燥，得到四氧化三钴。


2.根据权利1所述的四氧化三钴的无溶剂合成方法,其特征在于，所述钴源选自乙酸钴、四水合乙酸钴、七水合硫酸钴的至少一种。


3.根据权利1所述的四氧化三钴的无溶剂合成方法,其特征在于，所述碱源MOH可以选择氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化铯中的至少一种。


4.根据权利1所述的四氧化三钴的无溶剂合成方法,其特征在于，碱源MOH与钴源中Co2+的摩尔比为MOH/Co2+＝0.05～2。


5.根据权利1所述的四氧化三钴的无溶剂合成方法,其特征在于，所述研磨时间为5～10分钟。


6.根据权利1所述的四氧化三钴的无溶剂合成方法,...

【专利技术属性】
技术研发人员：季澎，章伟，田仁兵，郑华，张耿，张绍强，胡君，刘敏霞，李仪，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44