[发明专利]单分散的纳米片和/或纳米环及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种制备单分散的β-Co(OH)₂纳米片和纳米环的简易方法。

背景技术

层状氢氧化钴是一种单一金属的类水滑石材料，与常规的水滑石材料一样具有结构可调变性以及层间阴离子可交换等性能。层状氢氧化钴独特的性能，使得其在锂离子电池、催化、检测、吸附、磁性等方面将具有广阔的应用前景。在生产氢氧化钴过程中存在两个难题：(1)氢氧化钴沉淀时容易形成胶体或絮状物而难以过滤；(2)氢氧化钴在低碱性条件下反应不完全，杂质含量高，容易被空气中的氧气氧化成棕黑色的Co(OH)₃。专利[CN101696039B]公布了在抗氧化剂的保护下，以NaOH为沉淀剂制备了球形氢氧化钴；专利[CN200810120911.2]公布了在抗氧化剂的保护下，将NaOH溶液和保护剂溶液连续注入浑浊液里，置换出钴碱式盐中的阴离子，并通过调节pH值，使α-Co(OH)₂转化成粉红色的β-Co(OH)₂，所得的氢氧化钴为致密的晶型颗粒。

另一方面，环状结构因其特殊的构型和独特的物理化学性能而在光、电、磁、催化、存储和微波吸收等领域具有广阔的应用前景。纳米环的性能主要依赖其形貌、尺寸和组成。为此，不同的制备方法(如，液相化学刻蚀法，物理刻蚀技术，熔盐法，模板法和分子束外延等)被用来合成纳米环(包括，TiO₂，ZnO，石墨烯，GaAs/AlGaAs，Co/CoO，Fe₃O₄/聚苯乙烯，K₂Ti₆O₁₃，Ag，Co，Au，Ni，Si，Pt，Cu，Pb等)。氢氧化钴的形貌对其性能和应用有着重要的影响。目前人们已经成功地合成了氢氧化钴纳米片，纳米花，纳米线，纳米棒，纳米管，而有关氢氧化钴纳米环的制备尚鲜见报道。物理刻蚀技术需要特殊模板和大型的设备，且因工艺复杂，成本较高而受到限制。化学合成法具有低成本、操作简单、产量高的优点，但是一般只适用于特殊材料及特定的纳米环状结构的合成。

在本发明中，我们采用混合溶剂-沉淀-陈化工艺，通过改变混合溶剂的体积比、陈化时间来调控纳米环的尺寸。本发明的纳米片和纳米环具有单分散性，尺寸可调等特性，这些材料在催化、电极材料、生物传感器、检测等领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明旨在提供一种具有单分散性和均一性好，尺寸可调等特性的纳米片和纳米环；还提供工艺简单、条件温和、环保、节能的制备单分散纳米环的化学液相法；所提供的单分散纳米片和纳米环具有广阔的应用前景。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的单分散的纳米片和/或纳米环，其组分为β-Co(OH)₂。

所述的单分散纳米片和/或纳米环，其为单晶结构，外形为六边形，边长为0.2～4.62μm，厚度为120～260nm，环的内径为0.12～1.47μm。

本发明提供的单分散的纳米片的制备方法，具体是：采用混合溶剂液相沉淀法，即先按化学计量比将钴盐、蒸馏水、有机溶剂和碱添加到烧杯中，其中，蒸馏水和有机溶剂的体积比为3:1～9:1，钴盐的浓度为2.5mM～10mM，碱与钴盐物质的量之比为6:1～24:1，再搅拌10～20min，然后在70～100℃经搅拌回流反应0.5～2h，冷却后洗涤、过滤，最后经干燥得到单分散β-Co(OH)₂纳米片。

上述方法中，所述的有机溶剂为乙醇、丙醇、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺中的一种。

本发明提供的单分散的纳米环的制备方法，是采用混合溶剂液相沉淀-陈化方法，该方法步骤是：

a)将钴盐、蒸馏水、无水乙醇和碱按化学计量比添加到烧杯中，搅拌10～20min；随后在70～100℃经搅拌回流反应0.5～2h，得到A溶液；水和乙醇的体积比为3:1～9:1，钴盐的浓度为2.5～10mM，碱与钴盐物质的量之比为6:1～24:1；

b)在室温下向A溶液中滴加一定量的蒸馏水，继续陈化24～48h；最后洗涤、过滤、干燥后得到所述单分散β-Co(OH)₂纳米环；调节后蒸馏水和无水乙醇的体积比为3:1～39:1；陈化过程采用连续或间歇式搅拌。