[发明专利]高比表面积纳米中孔钴系尖晶石材料以及制备方法

说明书

技术领域

本发明是属于催化化学、无机化学和物理化学领域，特别涉及到高比表面积纳米中孔钴系尖晶石材料以及制备方法。

背景技术

钴系尖晶石型复合氧化物Co^II(Co^III_2-xM^III_x)O₄是一种用途广泛的无机非金属材料，由于其具有鲜艳的颜色、良好的磁性、优良的热稳定性，一般用于钴蓝或者钴绿颜料、陶瓷、电极材料、磁性材料以及催化剂和催化剂载体等。但是目前的制备方法，如尿素燃烧法，都是限制在高温焙烧，导致得到的钴系尖晶石材料晶粒大，比表面积小，限制了其在更多方面的应用，特别是作为催化剂和催化剂载体的应用。

由于纳米材料本身具有量子尺寸效应，表面效应等会使材料在热、磁、光、电以及表面性质上表现出不同于一般材料的特性。而多孔材料也是最近研究的热点，由于其比表面积大和具有孔道的特点，使得材料在吸附和表面性质上会有更好的表现，特别是在催化性能和催化剂载体效应上效果明显。因而制备纳米尺寸的多孔钴系尖晶石材料具有重大的意义，可以使这类材料的应用范围大大扩展以及各种性能得到很好的提升，特别是在催化剂和催化剂载体领域，目前还没有钴系尖晶石材料的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高比表面积的纳米中孔钴系尖晶石Co^II(Co^III_2-xM^III_x)O₄材料的制备方法，M³⁺为Al³⁺、Cr³⁺、Ga³⁺和In³⁺，首先通过制备出层状双金属氢氧化物作为前驱体，其结晶完好，物相单一(如附图1)，晶粒尺寸在20～100nm，颗粒均匀(如附图2)，其化学组成为[Co_1-x^IIM_x^III(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，其中M³⁺为Al³⁺、Cr³⁺、Ga³⁺和In³⁺，A^n-为阴离子CO₃^2-、NO₃^-、Cl^-、SO₄^2-，X值在0.1～0.5，前躯体中的钴离子都是以二价钴的形式均匀分布于板层里。再将前躯体经低温有氧焙烧形成尖晶石结构，虽然前躯体里Co^II与M^III之比在1～4之间，远大于尖晶石A^IIB₂^IIIO₄中A位与B位之比，但是在有氧焙烧过程中前驱体板层里部分Co^II氧化为Co^III成为B位，达到了调节A位与B位之比的目的，从而能得到纯的尖晶石相而无需后续的分离步骤。同时在焙烧过程中因固体层间阴离子和板层氢氧化物的分解以及金属离子的氧化等作用使板层出现塌陷，产生大量的中孔，形成了此类尖晶石材料特殊的中孔结构。

本发明的制备方法避免了传统方法需要经过高温焙烧导致晶粒长大，比表面积小的缺点，实现了低温下获得高比表面积、可控粒径、大小均一、具有中孔结构的纳米材料，在电、磁以及催化方面有很好的应用前景，并且具有制备装置简单、生产周期较短、成本低廉、无须提纯的优点。

本发明的具体技术方案如下：

高比表面积纳米中孔钴系尖晶石材料的制备方法为：配制一定浓度的二价钴的可溶性盐和三价M的可溶性盐的混合溶液，配制一定浓度氢氧化钾和可溶性无机钾盐的混合碱溶液，采用尿素水解法或者是稳态并流滴定法，控制一定的pH值，剧烈搅拌，在一定温度下晶化一段时间，然后经离心分离、洗涤、烘干、研磨得到层状双金属氢氧化物前驱体，最后经低温焙烧制得高比表面积纳米中孔尖晶石材料。