[发明专利]一种高比表面空心结构四氧化三钴及其合成方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米粉体合成技术领域，具体涉及一种高比表面空心结构四氧化三钴及其合成方法和应用。

背景技术

Co₃O₄属于立方晶系，结晶完整的Co₃O₄属于AB₂O₄尖晶石结构，其中氧原子包围着Co(II)离子四面体和Co(III)离子八面体，晶体场稳定化能较高。Co₃O₄在空气中十分稳定。Co₃O₄在催化剂，陶瓷耐磨材料，耐高温耐腐蚀材料，磁性材料，电极材料等领域有着广泛的应用。

常规方法制备的四氧化三钴往往存在比表面较低的缺点。CN 103011306 A公布了一种纳米级立方体状的四氧化三钴，虽然其比表面积得到了一定的提高，但立方体所提供的比表面却是极为有限的。

CN 103803664 A利用葡萄糖和钴盐作为原料获得了带核纳米空心球四氧化三钴，其虽省略了模板合成工序，但并没有在比表面上获得提升，应用性较差。CN 102531070A 公布了一种三维分级结构四氧化三钴海胆状连体纳米球的制备方法，但该方法采用乙二醇为溶剂，反应体系不够稳定，且合成过程中反应条件要求过于苛刻。CN 102887548 A公布了一种海胆状分级结构四氧化三钴纳米球，然而其所得纳米球十分不规整，团聚情况严重，在1μm尺度下，几乎看不到清晰的纳米线。

因此，本领域亟需寻求一种可提供高比表面的、工艺简单的、所得形貌优良可控的四氧化三钴的制备方法。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的之一在于提供一种高比表面空心结构四氧化三钴的合成方法，该方法包括以下步骤：

（1）将葡萄糖充分溶于去离子水中，之后转移至聚四氟乙烯高压釜内，于150~200℃下反应18~36h，冷却后，得到悬浮液；

（2）对步骤（1）所得物进行洗涤、离心、分散，得到沉淀；然后对所得沉淀进行干燥处理，得到碳球模板；

（3）将步骤（2）所得碳球模板与醋酸钴溶于去离子水中，搅拌分散均匀，进行老化处理，得到Co²⁺功能化碳球；

（4）将步骤（3）所得Co²⁺功能化碳球溶于去离子水中，然后加入或不加入聚乙烯吡咯烷酮，再加入醋酸钴和尿素，搅拌均匀，得混合溶液；所述醋酸钴与尿素的质量比为1:5~1:15；

（5）将步骤（4）所得混合溶液转移至高压水热釜内，80~110℃水热反应12h；对所得固体进行洗涤、离心、分散和干燥处理；然后于500~750℃下焙烧6 h，即得所述高比表面空心结构四氧化三钴。

本发明所得四氧化三钴具有比表面积高、光催化活性好的特点，呈现三维珊瑚状空心结构或海胆状结构。所得结构规整性十分好，无团聚现象。

本发明以碳球为模板，利用碳球表面大量的亲水基团首先将醋酸钴吸附在碳球表面。第二步，通过向反应体中加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP），Co²⁺以及尿素制备出了具有珊瑚状结构的Co₃O₄前驱体，经过焙烧，得到了空心结构Co₃O₄。而不加入PVP可得到海胆状的Co₃O₄，其同样具有高比表面积、形貌规整不团聚的特点。

优选的，步骤（1）中，所述葡萄糖溶液的浓度为1.0~6.0 g/mL。

优选的，步骤（2）中，所述洗涤是利用的是去离子水和乙醇进行洗涤。

优选的，步骤（2）中，所述干燥是在60℃下干燥处理12 h。

优选的，步骤（3）中，所述碳球模板的浓度为3~8 mg/mL；所述醋酸钴溶液的浓度为3~9 mg/mL。

优选的，步骤（3）中，所述搅拌分散的操作过程为：先搅拌1h，再进行超声分散1 h；所述老化处理时间为12 h。

优选的，步骤（4）中，所述聚乙烯吡咯烷酮溶液的浓度为10~40 mg/mL；所述尿素溶液的浓度为0.1~0.4 g/mL。

优选的，步骤（5）中，所述洗涤、离心、分散和干燥处理的操作方法为：用去离子水和乙醇洗涤、离心、分散，循环六次，60℃干燥12 h；进行所述焙烧时，升温速率为2 ℃/min；步骤（1）和步骤（5）中，所述高压水热釜为内衬聚四氟乙烯的水热釜。