一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co制造技术

技术编号:24323241 阅读:38 留言:0更新日期:2020-05-29 17:20
本发明专利技术公开了一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co

【技术实现步骤摘要】
一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co3O4的方法
本专利技术属于纳米材料制备
,尤其涉及一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co3O4的方法。
技术介绍
过渡金属氧化物Co3O4是一种重要的功能材料,分子量240.79,密度6.0~6.2g·cm-3,其粉末呈灰黑色或黑色,具有典型的AB2O4型立方尖晶石结构。常温下,Co3O4不溶于盐酸、硝酸和王水等强酸,但能缓慢溶于热硫酸中,在低于800℃的空气环境中相当稳定。此外,Co3O4的理论比电容高达3560F·g-1,带隙宽度约为2.07eV。因其优异的物理和化学特性,近年来Co3O4广泛应用于陶瓷、磁性材料、催化剂、气体传感器、太阳能电池和锂离子电池等领域。这些应用中,Co3O4的微观结构(如晶粒大小分布、晶体形貌)是影响和决定其性能的关键参数。因此,可控合成具有一定形貌和尺寸的纳米Co3O4已成为纳米材料领域的研究热点之一。目前,纳米Co3O4的制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热-热解法、溶剂热-热分解法、化学沉淀法、液相沉淀法、静电组装法、重力水热法等。这些方法的共同特点是:首先利用钴盐制备钴的氢氧化物、氧化物等前驱体,此过程需要加入乙醇、三乙胺、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)或十二烷基硫酸钠(SDBS)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)等,然后在300~500℃热解氧化,晶化得到纳米Co3O4。然而制备步骤复杂,所得产品的微观结构难以控制且对设备要求高,原料昂贵,易产生二次污染。
技术实现思路
针对上述背景技术中指出的不足,本专利技术提供了一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co3O4的方法,旨在解决上述
技术介绍
中现有技术存在的问题。为实现上述目的,本专利技术采用的技术方案是:一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co3O4的方法,将含有Co2+的溶液作为电解液输入液体阴极辉光放电等离子体产生装置中(图1),以高压直流电源提供电能,以封存在石英管中的铂针电极为阳极,含有Co2+的溶液在蠕动泵带动下流经缓冲瓶,最后在插入石墨碳棒的毛细管顶端溢出,以溢出的溶液作为放电阴极。当阴阳两极间施加550~660V电压、45~90mA电流时,毛细管顶端溢出的液体产生辉光放电等离子体并伴随有棕黑色浊液产生,持续放电2~4h后,收集产物,将棕黑色浊液超声分散、离心、洗涤、干燥、研磨,即得具有片状结构的纳米Co3O4。优选地,所述液体阴极辉光放电等离子体产生装置包括:溶液池、蠕动泵、缓冲瓶、产品池、石英毛细管、石墨管、液体收集器以及铂针电极,所述溶液池中加入含有Co2+的溶液,所述溶液池与蠕动泵的进口端连接,所述蠕动泵的出口端通过缓冲瓶与石英毛细管的下端连接,所述石英毛细管的上端沿液体收集器的底部向上穿入液体收集器后,再从液体收集器的顶部伸出,所述液体收集器的底部与产品池连通,与液体收集器的顶部接触段的石英毛细管外套有石墨管,所述石墨管与高压电源的负极连接,所述石英毛细管的顶端上方设置铂针电极,所述铂针电极与高压电源的正极连接。优选地,所述含有Co2+的溶液为硝酸钴溶液。优选地,所述硝酸钴溶液的浓度为0.05~0.15mol/L,在蠕动泵带动下以1.5~4mL/min的速度保持溶液流动。优选地,所述石英毛细管的上端和铂针电极的铂丝尖端之间的垂直间隙为1~2mm,所述石英毛细管上端露出石墨管的高度为2~4mm,石英毛细管的内径为0.5~1.2mm。优选地,所述铂针电极的铂丝密封于石英管内,所述铂丝直径为0.3~0.8mm,铂丝尖端露出石英管的长度为0.5~1.5mm。优选地,所述离心采用的转速为6000~10000r/min,所述干燥是在真空40~60℃下进行。制备原理:下面通过对电流-电压曲线分析来说明放电过程不是普通的电解过程,通过发射光谱图来说明制备原理。1、电流-电压曲线用北京大华无线电仪器有限责任公司的DH1722A-6直流稳压稳流电源(电压0~1000V,电流0~0.5A)对不同电压下的电流进行测定。图2为0.05mol/L的硝酸钴为电解液,阴阳极之间的距离为1mm,毛细管露出石墨碳管的距离为3mm时,通过调节不同电压,绘制的液体阴极辉光放电等离子体的电流-电压曲线。由图2可知,整个放电过程分为三段:AB段(0~250V),电流电压基本呈线性关系,发生普通电解;BC段(250~500V),为过渡区,电流随电压的增大而波动减小,阴极针尖处产生大量蒸汽鞘,电压越大,产生的蒸汽越多,电流越小电流波动较大,整体呈下降趋势;CD段(>500V)以后随电压的增大辉光逐渐增强,产生稳定的等离子体。制备纳米Co3O4所用的电压大于500V,说明本专利技术的放电过程不是普通的电解过程,而是辉光放电电解等离子体过程。但考虑到电压过高时,能耗较大,且辉光太强对铂针尖损害过大,因此本专利技术主要选用电压为550~660V的辉光放电进行实验。2、发射光谱分析用八通道高分辨CCD光纤光谱仪(AvaSpec-ULS2048,荷兰AvaSpec公司)测定液体阴极辉光放电的发射光谱,图3为630V电压下制备纳米Co3O4的0.05mol/LCo(NO3)2溶液中的发射光谱。波长为306.0~309.0nm的谱线为HO(A2∑+→X2∏)((1,0)和(0.0))的跃迁谱带,486.1和656.3nm处为氢原子的Hβ(4d2D→2p2p0)和Hα(3d2D→2p2p0)谱线,716.1,763.5和845.6nm处为激发态O(3p5P→3s5S0)和(3p3p→3s3S0)原子的跃迁谱线。这是由于高能电子激发汽化的水分子产生大量HO·,H·,O·。589和589.8nm处为Na的原子线,说明电解液中含有Na+。在240.7和251.3nm处产生的谱线对应于Co的原子发射谱线。以上结果表明,通过液体阴极辉光放电制备纳米Co3O4的过程中,溶液中有HO·,H·,O·产生。基于发射光谱图,提出了液体阴极辉光放电制备纳米Co3O4的原理:在液体阴极辉光放电过程中,阴极周围的等离子体-溶液界面H2O受到高能电子(e*)的轰击,分解生成HO·和H·的主要反应如下:H2O+e*→H·+OH·+O·+H2O·+H2+O2+H2O2+eaq-+H3O++OH-(1)在等离子体-液体界面,Co2+发生的化学反应如下:Co2++H2O2→Co3++OH·+OH-(2)溶液中的Co2+和Co3+在等离子体区和OH-反应:2Co3++Co2++8OH-→Co3O4+4H2O(3)通过控制放电电压,可以控制溶液中的各种活性粒子和OH-的产生速度和浓度,从而推动(3)式向右进行,生成Co3O4晶粒并成核长大。相比于现有技术的缺点和不足,本专利技术具有以下有益效果:(1)本专利技术利用液体阴极辉光放电等离子体制备Co3O4纳米颗粒,具有工艺简单,操作方便,条件温和(室温,无需其它气体保护),过程可控(改变参数如电解液浓度、放电电压、放电时间等,可以本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co

【技术特征摘要】
1.一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co3O4的方法,其特征在于,将含有Co2+的溶液作为电解液输送到液体阴极辉光放电等离子体装置中,以高压直流电源提供电能,以封存在石英管中的铂针电极为阳极,含有Co2+的溶液在蠕动泵带动下流经缓冲瓶,最后在插入石墨碳棒的毛细管顶端溢出,以溢出的溶液作为放电阴极,阴阳两极间施加550~660V电压、45~90mA电流,毛细管顶端溢出的液体产生辉光放电等离子体并伴随有棕黑色浊液产生,持续放电2~4h后,收集产物,然后将棕黑色浊液超声分散、离心、洗涤、干燥、研磨,即得具有片状结构的纳米Co3O4。


2.如权利要求1所述的利用液体阴极辉光放电等离子体技术制备纳米Co3O4的方法,其特征在于,所述液体阴极辉光放电等离子体产生装置包括:溶液池、蠕动泵、缓冲瓶、产品池、石英毛细管、石墨管、液体收集器以及铂针电极,所述溶液池中加入含有Co2+的溶液,所述溶液池与蠕动泵的进口端连接,所述蠕动泵的出口端通过缓冲瓶与石英毛细管的下端连接,所述石英毛细管的上端沿液体收集器的底部向上穿入液体收集器后,再从液体收集器的顶部伸出,所述液体收集器的底部与产品池连通,与液体收集器的顶部接触段的石英毛细管外套有石墨管,所述石墨管与高压电源的负极连接,所述石英毛细管的顶端上方设置铂针电...

【专利技术属性】
技术研发人员:陆泉芳罗荟俞洁冯菲菲李娟龙
申请(专利权)人:西北师范大学
类型:发明
国别省市:甘肃;62

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