一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体及其制备方法

摘要

本发明涉及四氧化三钴微米粉体制备技术领域，特别涉及一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体及其制备方法。它由四氧化三钴纳米颗粒自组装而成，球形粉体的粒径为1～10μm，球形粉体的形貌均匀。制备方法为：可溶性钴盐的水溶液与甘氨酸—NaOH的水溶液经超声混合后置于恒温鼓风干燥箱中进行反应；反应完全后经后处理得到四氧化三钴微米球形粉体。本发明通过甘氨酸生物分子辅助水热法成功的获得一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体材料。通过系列表征表明在甘氨酸作为模板和原料反应体系中获得的粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体具有粒度分布较窄、形貌分布均一和可控等性能。

权利要求

1.一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体的制备方法，其特征在于：步骤如下：

(1)称取30mmol甘氨酸和3mmol NaOH倒入烧杯中，加入15mL去离子水溶解，并放在磁力搅拌器上搅拌30min，形成溶液A；称取3mmol Co(NO3)2·6H2O倒入烧杯中，加入10mL去离子水将其溶解，保持同样条件，并搅拌30min，形成溶液B；将搅拌后的溶液A加入至溶液B中放到超声波清洗器中超声30min，形成溶液C；

(2)将溶液C转入事先洗好的50mL反应釜中，再用5mL去离子水将烧杯冲洗后倒入反应釜中；将反应釜盖好放到恒温鼓风干燥箱中，设置温度为180℃，反应24h；待反应结束后，取出反应釜，将反应后生成的粉末用离心机离心，并分别用无水乙醇和去离子水交替洗涤数次，然后在恒温干燥箱中以40℃干燥6h得到黑色四氧化三钴粉末即粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体；

该粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体由尖晶石型四氧化三钴纳米颗粒自组装而成，球形粉体的粒径为5μm，球形粉体的形貌均匀；尖晶石型四氧化三钴纳米颗粒表面粗糙，由更细小的纳米颗粒组装而成；在30.8°、35.3°、46.8°、54.6°处有衍射峰出现，分别对应(220)、(311)、(400)、(511)晶面。

说明书

一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及四氧化三钴微米粉体制备技术领域，特别涉及一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体及其制备方法。

背景技术

[0002] 四氧化三钴作为一种反磁相p型半导体材料，在半导体材料、陶瓷材料、催化剂、传感器等方面的应用十分广泛。四氧化三钴在作为锂离子电池的电极材料时，不同的合成方法及材料的不同微观结构对其电化学性能有很大的影响。

[0003] 目前四氧化三钴的制备方法主要有：微乳液法、模板法、溶胶-凝胶法等。黄可龙等利用溶剂热法制备了纯相立方晶型四氧化三钴，以聚乙二醇作分散剂，改变作为溶剂的正丁醇和水的比例，可以达到对纯相Co3O4的形貌和粒径大小的控制。杨华明等首先利用固相反应法合成无定型的前驱体，再将前驱体经过焙烧合成Co3O4纳米粉体。陈友存等利用溶剂热的方法，以Co(NO3)2·6H2O为钴源，H2O2为氧化剂，以正十二烷烃和油酸的混合溶液为溶剂，成功地制备了Co3O4纳米棒。这些报道多数都是合成出Co3O4的纳、微米颗粒，而合成出粒子自组装Co3O4球状粉体的鲜有报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提出一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体及其制备方法，以克服现有技术上的缺陷，为工业化规模生产四氧化三钴微米球形粉体提供一条新途径。

[0005] 为实现该目的，本发明采用了以下技术方案：

[0006] 一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体，由四氧化三钴纳米颗粒自组装而成，球形粉体的粒径为1～10μm，球形粉体的形貌均匀。

[0007] 一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体的制备方法，可溶性钴盐的水溶液与甘氨酸—NaOH的水溶液经超声混合后置于恒温鼓风干燥箱中进行反应，反应温度为160～200℃，反应时间为12～36h，甘氨酸与可溶性钴盐的钴离子之间的摩尔比为1：1～20：1；反应完全后经后处理得到四氧化三钴微米球形粉体。

[0008] 作为优选，可溶性钴盐为六水合硝酸钴、乙酸钴或氯化钴。可溶性钴盐在其水溶液中的摩尔体积浓度为0.1～1mol/L。甘氨酸—NaOH的水溶液中甘氨酸的摩尔体积浓度为0.1～5mol/L，NaOH的摩尔体积浓度为0.02～1mol/L。

[0009] 作为进一步改进，后处理是将反应产物固液分离后分别使用无水乙醇及去离子水交替洗涤，然后置于恒温干燥箱中进行干燥。恒温干燥箱中干燥温度为20～60℃，干燥时间为3～10h。

[0010] 本发明的粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体及其制备方法，主要是通过甘氨酸、Co(NO3)2·6H2O等可溶性钴盐和NaOH为原料，在混合超声搅拌后再进行水热反应制备粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体。本发明通过甘氨酸生物分子辅助水热法成功的获得一种粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体材料。通过系列表征表明在甘氨酸作为模板和原料反应体系中获得的粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体具有粒度分布较窄、形貌分布均一和可控等性能。这种简单的合成方法也可以作为一种通用的策略来合成其他自组装的花状微、纳米材料。本发明的有益效果还表现在：

[0011] 1).本发明实现了利用甘氨酸和Co(NO3)2·6H2O等可溶性钴盐作为前驱体，通过水热法快速得到粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体，为类似微、纳米材料的合成提供了一种新的途径。

[0012] 2).本发明的工艺简单，整个制备体系容易构建、操作简便、条件易控、成本低廉、产物组成易控、产物分布均匀、不易团聚、适合于大规模工业生产。

[0013] 3).本发明是采用常规可溶性钴盐作为反应物，在制备过程中不添加其它的辅助物质，产生的副产物少，对环境污染较小，是一种环保型合成工艺。

[0014] 4).本发明制备的产物具有较好的水溶性、良好的生物相容性，能用在锂离子电池电极材料等方面。

附图说明

[0015] 图1为实施例1(产物1)和实施例2(产物2)所得产物的XRD图。

[0016] 图2a-2b依次为实施例1所得产物的低、高倍率FE-SEM图。

[0017] 图2c为实施例1所得产物的EDS图。

[0018] 图3a-3b依次为实施例2所得产物的低、高倍率FE-SEM图。

具体实施方式

[0019] 以下通过具体实施例进一步详细说明本发明的粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体及其制备方法。

[0020] 实施例1

[0021] 粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体的制备：

[0022] (1)称取30mmol甘氨酸和3mmol NaOH倒入烧杯中，加入15mL去离子水溶解，并放在磁力搅拌器上搅拌30min，形成溶液A。称取3mmol Co(NO3)2·6H2O倒入烧杯中，加入10mL去离子水将其溶解，保持同样条件，并搅拌30min，形成溶液B。将搅拌后的溶液A加入至溶液B中放到超声波清洗器中超声30min，形成溶液C。

[0023] (2)将溶液C转入事先洗好的50mL反应釜中，再用5mL去离子水将烧杯冲洗后倒入反应釜中；将反应釜盖好放到恒温鼓风干燥箱中，设置温度为180℃，反应24h；待反应结束后，取出反应釜，将反应后生成的粉末用离心机离心，并分别用无水乙醇和去离子水交替洗涤数次，然后在恒温干燥箱中以40℃干燥6h得到黑色四氧化三钴粉末即粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体。

[0024] 图2a-2b为实施例1所得产物的FE-SEM图。由低倍率的图2a可知，所得到的Co3O4粉体形貌均一，平均粒度为5μm，且结晶性好；由高倍率的图2b可知，所得到的颗粒表面粗糙，由更细小的纳米颗粒组装而成；产物的EDS图(图2c)表明所得到的产物由Co和O组成，Si的峰来自实验的基片，而Pt的峰则是制样时喷金造成的。

[0025] 实施例2

[0026] 粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体的制备：

[0027] (1)称取30mmol甘氨酸和4mmol NaOH倒入烧杯中，加入20mL去离子水溶解，并放在磁力搅拌器上搅拌30min，形成溶液A。称取4mmol乙酸钴倒入烧杯中，加入10mL去离子水将其溶解，保持同样条件，并搅拌30min，形成溶液B。将搅拌后的溶液A加入至溶液B中放到超声波清洗器中超声30min，形成溶液C。

[0028] (2)将溶液C转入事先洗好的50mL反应釜中，再用5mL去离子水将烧杯冲洗后倒入反应釜中；将反应釜盖好放到恒温鼓风干燥箱中，设置温度为180℃，反应12h；待反应结束后，取出反应釜，将反应后生成的粉末用离心机离心，并分别用无水乙醇和去离子水交替洗涤数次，然后在恒温干燥箱中以40℃干燥6h得到黑色四氧化三钴粉末即粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体。

[0029] 图1为实施例1(产物1)和实施例2(产物2)所得产物的XRD图谱。其与标准卡片JCPDS No.43-1003相比较可知，在30.8°、35.3°、46.8°、54.6°处有衍射峰出现，分别对应(220)、(311)、(400)、(511)晶面，表明产物为尖晶石型Co3O4，产物纯度较高。

[0030] 图3a-3b为实施例2所得产物的FE-SEM图。由低倍率的图3a可知，所得到的Co3O4粉体形貌均一，平均粒度为3μm，且结晶性好；由高倍率的图3b可知，所得到的颗粒表面粗糙，由更细小的纳米颗粒组装而成。

[0031] 实施例3

[0032] 粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体的制备：

[0033] (1)称取30mmol甘氨酸和5mmol NaOH倒入烧杯中，加入10mL去离子水溶解，并放在磁力搅拌器上搅拌30min，形成溶液A。称取5mmol氯化钴倒入烧杯中，加入10mL去离子水将其溶解，保持同样条件，并搅拌30min，形成溶液B。将搅拌后的溶液A加入至溶液B中放到超声波清洗器中超声30min，形成溶液C。

[0034] (2)将溶液C转入事先洗好的50mL反应釜中，再用5mL去离子水将烧杯冲洗后倒入反应釜中；将反应釜盖好放到恒温鼓风干燥箱中，设置温度为200℃，反应10h；待反应结束后，取出反应釜，将反应后生成的粉末用离心机离心，并分别用无水乙醇和去离子水交替洗涤数次，然后在恒温干燥箱中以50℃干燥5h得到黑色四氧化三钴粉末即粒子自组装四氧化三钴微米球形粉体。

[0035] 需要指出的是，本发明不仅仅限于以上列举的实施例，凡是能从本发明内容直接导出或启示联想得到的相关技术均应属于本发明涵盖保护的范围。