一种多孔四氧化三钴纳米片的制备方法与流程

本发明属于高性能功能材料领域，涉及一种多孔四氧化三钴纳米片的制备方法。

背景技术：

四氧化三钴是一种黑色固体，晶体结构为尖晶石构型，分子式为Co₃O₄。它是一种混合价态的化合物，同时含有二价钴和三价钴。它是重要的锂电池正极材料的原料，也可以直接用作锂电池的负极材料和超级电容器电极材料。随着锂离子电池的发展，迫切需要开发新的负极材料，四氧化三钴具有高的比容量，作为电池和电容器的电极材料受到了广泛的关注。

纳米技术的发展，为传统功能材料的特性和功能提供了新的空间，尤其是目前二维形态材料的开发，受到了极大关注。因其特殊的形态，使得二维多孔结构的四氧化三钴纳米片，更加有利于电解液的渗透，发挥其最佳的储能特性。

制备四氧化三钴的方法主要有热分解法，溶胶凝胶法，水热法，溶剂热法和化学气相沉积法等，工业上常用钴盐分解的方法，该法工艺简单，便于操作，但是制备的产物颗粒大，且尺寸分布宽。而水热-热分解法是利用水热反应制得前驱物后，在空气中煅烧，是一种制备不同形态纳米氧化物的有效方法。为此，本发明采用水热法首先制备二维片状碱式碳酸钴(Co₂(CO₃)(OH)₂)，然后将它经过中低温加热，获得二维多孔四氧化三钴纳米片。本方法所制备纳米片的形态均匀，便于控制纳米片中孔的尺寸大小，是一个环保、高效的制备四氧化三钴纳米片的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多孔四氧化三钴纳米片的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多孔四氧化三钴纳米片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钴盐溶解于水中，配制钴离子浓度为0.1～1mol/L的水溶液；

(2)将六次甲基四胺加入步骤1所配置的钴盐水溶液中，六次甲基四胺与钴离子的摩尔比为6:1～8:1，在室温下搅拌溶解均匀后，装入高压反应釜，溶液在反应釜中的体积填充率为70～85％，密闭反应釜，将反应釜加热到210～280℃，保温2小时以上；

(3)将步骤2所得的固体产物过滤，用水反复清洗，干燥，即可获得四氧化三钴的前驱体碱式碳酸钴；

(4)将步骤3中的产物在空气中加热到300～500℃，保温1小时以上，即可获得多孔四氧化三钴纳米片，所述多孔四氧化三钴纳米片由纳米级四氧化三钴颗粒构成，具有多孔特性，外形呈二维纳米片形态。

进一步地，所述步骤1中，所述钴盐由氯化钴、硝酸钴和醋酸钴的一种或多种按任意配比混合组成。

进一步地，所述步骤3中，所述碱式碳酸钴的化学式是Co₂(CO₃)(OH)₂，其晶体结构与(Cu,Co)₂(CO₃)(OH)₂一致。

本发明的有益效果是：

1、本发明原料来源要求低，价格便宜。

2、本发明制备能耗低，工艺简单，生产周期短，工艺重复性优良。

3、本发明产品形态均匀，纯度高。

附图说明

图1是实施例1用氯化钴制备的四氧化三钴纳米片的形貌图；

图2是实施例2用硝酸钴制备的四氧化三钴纳米片的形貌图；

图3是实施例3用醋酸钴制备的四氧化三钴纳米片的形貌图。

具体实施方式

实施例1

将0.1mol氯化钴充分溶解于500mL水中，然后加入0.6mol六次甲基四胺，在室温下搅拌溶解均匀后，装入高压反应釜，液体填充率为70％，密闭高压反应釜，将其加热到280℃，保温2小时，过滤所生成的固体产物，经过干燥后，获得片状的碱式碳酸钴。将干燥后的碱式碳酸钴在空气中300度下加热2小时，就获得多孔四氧化三钴纳米片，产物的形貌如图1所示，所制备产物的形态是二维纳米片组装而成的分级结构，四氧化三钴纳米片的厚度主要在20到50纳米之间，纳米片的长度在数微米以上，宽度主要在300到500纳米间。产物二维纳米片形态均匀，制备条件温和。

实施例2

将0.5mol硝酸钴充分溶解于500mL水中，然后加入3mol六次甲基四胺，在室温下搅拌溶解均匀后，装入高压反应釜，液体填充率为75％，密闭高压反应釜，将其加热到240℃，保温3小时后，过滤所生成的固体产物，经过干燥后，获得片状的碱式碳酸钴。将干燥后的碱式碳酸钴在空气中400度加热2小时后，就获得多孔四氧化三钴纳米片，产物的形貌如图2所示，所制备产物的形态是四氧化三钴二维纳米片组装而成的分级结构，四氧化三钴纳米片的厚度分布在30到60纳米之间，纳米片的长度在微米数量级，宽度主要分布在300到600纳米。产物的二维形态均匀，重复性好。

实施例3

将0.3mol醋酸钴充分溶解于500mL水中，然后加入2.4mol六次甲基四胺，在室温下搅拌溶解均匀后，装入高压反应釜，液体填充率为85％，密闭高压反应釜，将其加热到210℃，保温2小时后，过滤所生成的固体产物，经过干燥后，获得片状的碱式碳酸钴。将干燥后的碱式碳酸钴在空气中500度加热1小时，就获得多孔四氧化三钴纳米片，产物的形貌如图3所示，所制备产物的形态是分散的四氧化三钴二维纳米片，纳米片的厚度在50纳米左右，纳米片的长度和宽度都在微米数量级。产物的二维形态保持良好，工艺重复性好。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。