[发明专利]一种介孔四氧化三钴纳米片的制备及剥离方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种纳米无机功能材料的制备方法，具体涉及一种用于超级电容器的四氧化三钴介孔纳米片的制备及剥离方法。

背景技术

四氧化三钴具有氧化还原反应高度可逆、比表面积大、导电率高、长期性能好、抗腐蚀等优点，因此，它被认为是可供选择的一种超级电容器电极材料。具有层状结构的四氧化三钴由于其作为超级电容器电极时表现出的卓越性能，近年来被发现研究，研究过程中人们发现了一个问题：层状材料层间距过小，容易发生团聚现象，而导致氢氧根与电子在层间的传导困难，电解液与材料接触面积小，暴露的活性位点较少，在这种情况下材料不能充分发挥作用，故增大层间距，增加材料的电荷传递速率是需要解决的重点问题，随着离子交换反应的进行，层间距随层内离子或分子尺寸的变化而变化，当层间距增大到一定程度时，层间的相互作用力逐渐减弱直至完全消失，层状化合物发生解离，以二维超薄片层的形式存在。

这种由层状化合物剥离得到的四氧化三钴二维超薄纳米片继承了母体层状材料的各种结构性质，并以高度单分散的形式存在于胶状悬浮液中，这种剥离得到的二维超薄纳米片完全不同于用其它方法直接合成的二维纳米片，剥离得到的四氧化三钴二维超薄纳米片结构更加完整，原子排布更加规则，性能更加优异。其纳米层的厚度可以达到分子级的水平，横向尺寸可为层厚度的数百倍以上，在许多方面其所具有的亚微米尺度的超薄厚度及二维各向异性使它具有极其优异的性能，高质量的无机纳米层在超级电容器、传感器、催化剂研究、太阳能电池、缓释药物、光电子等领域均拥有巨大的应用前景。

公开号为CN101503219A的专利文件中公开了一种四氧化三钴纳米片的制备方法，该方法以二价钴盐为原料，加入亚硝酸盐进行搅拌，然后加入强碱搅拌均匀，然后加热数个小时得到氢氧化钴纳米片，最后经煅烧工序得到了四氧化三钴纳米片。该方法虽然得到了四氧化三钴纳米片，但是其产品相互堆叠，比表面积小，阻碍了电解液离子交换的进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够得到高结晶度层状四氧化三钴材料的介孔四氧化三钴纳米片的制备方法。本发明的目的还在于提供一种介孔四氧化三钴纳米片的剥离方法。

本发明的介孔四氧化三钴纳米片的制备方法包括以下步骤：

(1)层状前驱体的制备

向Co²⁺的浓度为0.001-0.5mol/L的溶液中加入尿素，将所得混合溶液置于密闭容器，在120℃的条件下恒温反应24h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤、干燥，待干燥完全后，得到粉红色层状前驱体纳米片；

(2)介孔层状四氧化三钴纳米片的制备

将步骤(1)得到的层状前驱体纳米片在200-400℃温度下煅烧，煅烧时间为2-4h，将产物冷却至室温，得到介孔黑色四氧化三钴纳米片。

所述的Co²⁺的浓度为0.001-0.5mol/L的溶液为0.1-0.2mol/L的六水合硝酸钴与曲拉通的混合溶液，其摩尔比为0.05-3:1，优选1.5-2.5:1。

尿素与六水合硝酸钴的摩尔比为2:1。

本发明的介孔四氧化三钴纳米片的剥离方法为：

将介孔黑色四氧化三钴纳米片溶于硝酸铵溶液中进行预处理，离心后上清液溶于甲酰胺中，将混合液在室温下100-200W下水浴超声后1-2h，于转速为100-300r/min的恒温振荡器中恒温震荡3d，离心得到的上清液即为剥离后单片层的四氧化三钴纳米片。

本发明提供了一种高结晶度层状四氧化三钴材料的制备以及将其剥离成单片层四氧化三钴的方法。

本发明的层状前驱体的制备方法所得到的粉红色层状前驱体纳米片，尺寸较大，形貌均匀，是优异的层状母体材料，其形貌为后续四氧化三钴纳米片的制备提供了良好条件。

本发明的介孔层状四氧化三钴纳米片的制备是将层状前驱体在200-400℃温度下煅烧，最佳温度选择为300℃，曲拉通沸点为270℃，该温度可以将曲拉通去除，也可以同时将氢氧化钴转化为四氧化三钴。煅烧时间为2-4h，最佳时间为3h，该温度为氢氧化钴完全转化为四氧化三钴的最短时间，同时在升温过程中，水分子的脱出促使了纳米片上均匀介孔的生成，将产物冷却至室温，得到介孔黑色四氧化三钴纳米片。