[发明专利]一种四氧化三钴珠链状纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种四氧化三钴珠链状纤维及其制备方法。

背景技术

四氧化三钴（Co₃O₄）是一种混合价态化合物，同时含有Co²⁺和Co³⁺，为立方晶系，属于AB₂O₄尖晶石结构。它是一种典型的磁性p型半导体，有着较大的理论容量（高达890mAh/g，远高于石墨），是一种极具潜力的碳负极替代材料。同时，四氧化三钴也是一种很好的功能材料，在电池电极、超级电容器、气体传感器、化学催化等领域有着十分广阔的应用前景。

与传统制备工艺相比，静电纺丝技术以其设备简单、操作简便、产物产量高和纺丝成本低廉等优点，已成为有效制备一维纳米材料最重要的方法之一。

制备珠链状四氧化三钴的方法一般为高温固相法、共沉淀法、水热法、模板法和溶剂热法等，目前，采用静电纺丝法制备四氧化三钴珠链状纤维的方法尚未有文献和专利报道。中国专利CN103643350A采用静电纺丝法制备了Co₃O₄/In₂O₃复合结构，但其得到的是管状结构，且是两种物质的复合结构，并未制得单一组分的四氧化三钴一维结构。文献（Biosensors and Bioelectronic, 2010, 26, 542-548和Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2014, 11, 619-625）采用硝酸钴和PVP与一定溶剂混合制备纺丝液纺丝并煅烧，可得到四氧化三钴纤维，但纤维为小颗粒堆积而成的实心纤维，并未形成颗粒相连的珠链状结构。另有相关文献报道称，珠链状纤维可大大增加有效接触面积并有助于电子传输。因此，采用一种简便易行的方法控制合成形貌规则、直径均匀的四氧化三钴珠链状纤维具有显著的意义，并且所得产品在电池电极材料、化学催化、气体传感等领域具有潜在的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法简便、过程可控，所得珠链状结构规则，纤维直径分布均匀的四氧化三钴珠链状纤维及其制备方法，本发明利用静电纺丝工艺制备出了珠链状结构，具有十分重要的潜在应用价值。

本发明的技术方案为：

　　本发明提供了一种四氧化三钴珠链状纤维，该纤维由Co₃O₄单晶颗粒紧密相连形成珠链状结构，纤维的直径为120-240纳米。该纤维采用以下方法制备而成：首先将钴源加入N，N-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至溶解完全，然后将聚乙烯吡咯烷酮加入溶液中，搅拌得纺丝溶液，将纺丝溶液利用静电纺丝法进行纺丝，得到复合纤维，最后将复合纤维进行分段煅烧，自然冷却至室温即可。

本发明还提供了一种四氧化三钴珠链状纤维的制备方法，具体包括以下步骤：

　（1）纺丝溶液制备：将钴源加入N，N-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至溶解完全，将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入溶液中，搅拌为均匀溶液，即纺丝溶液；

　（2）静电纺丝过程：将步骤（1）中得到的纺丝溶液利用静电纺丝法进行纺丝，得到复合纤维；

　（3）煅烧过程：将步骤（2）制备的复合纤维进行煅烧，自然冷却至室温，即得到四氧化三钴珠链状纤维。

进一步的，步骤（1）中的钴源为六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O）、四水合醋酸钴。

进一步的，所述钴源与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:3~5，聚乙烯吡咯烷酮在溶液中的质量浓度为10~20 wt%。

进一步的，步骤（2）中所述静电纺丝采用的针头直径为0.6~0.9 mm，针头与接收板之间的距离为10~20 cm，调整溶液流速为0.42~2.0 ml/h，施加电压为12~20 kV。

进一步的，步骤（3）中所述煅烧过程采用分段煅烧方法，第一阶段采用1~5 ℃/min的升温速率加热至300~400℃，第二阶段在此温度基础上采用10~15℃/min的升温速率继续加热至500~650 ℃，煅烧1~3h，冷却至室温后即可。

本发明的制备合成的四氧化三钴珠链状纤维，结构为单个大小相当的Co₃O₄颗粒相连组成的一维结构，其直径分布均匀，形貌规则，颗粒暴露完全，颗粒之间连接紧密。