[发明专利]一种四氧化三钴柱状结构材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机材料领域，具体地，本发明涉及一种四氧化三钴材料及其制备方法。

背景技术

Co₃O₄粉末外观呈黑色或灰黑色，理论钴含量为73.43%，氧含量26.57%，松装密度0.5~1.5g/cm³，振实密度6.0～6.2g/cm³。Co₃O₄作为一种典型的尖晶石型过渡金属氧化物，由于其特殊的结构和性能，在电化学、催化剂、气敏、生物传感、磁性材料和电致变色薄膜等领域有着广泛的应用。

目前文献报道的Co₃O₄粉末的制备方法比较多，有溶剂热法、喷雾热分解法、还原氧化法、均匀沉淀法、机械球磨法、室温固相反应法和水热法等，其中采用溶剂热法是使溶剂处于高于其临界点的温度和压力，因而可以溶解大多数物质，使常规条件下不能发生的反应可以进行，或者加速进行，而且在反应过程中可以控制晶体的生长，得到不同形貌的产品，该方法还具有能耗低、分散均一、不易团聚等优点，因此受到广大科研工作者的亲睐。

中国专利（CN102491431A）公开了一种微波一步法制备四氧化三钴八面体的方法，该专利技术采用了微波制备法，即把钴盐和硫脲按一定物质的量之比进行混合，以乙二醇为溶剂，加入适量的吸波碳材料，在一定的微波条件下反应得到规则八面体形状的四氧化三钴。该方法具有操作简单、反应时间短、易得和无污染等优点，但是该材料纯度不高，且易团聚，用作功能材料时，上述缺陷对材料的性能影响很大，无法达到工业化应用要求。

中国专利（CN102145922A）公开了一种四氧化三钴花瓣状曲面纳米结构的制备方法，该专利技术采用了直接氧化法，即把钴片放置于纯氧气氛的管式炉中，在氧气氛下通入适量的水蒸气，通过控制反应器温度、纯氧气氛的流速、水蒸气的补给量等直接生产出花瓣状曲面结构的四氧化三钴。这种直接氧化法制备的四氧化三钴，形貌呈花瓣状，大大提高了材料的比表面积，使得材料与电解液的接触面积更大，有利于提高锂离子电池的电化学性能，但纯氧气氛增加了生产的危险性，且该方法生产效率低，成本高，无法实现大规模生产。

中国专利（CN101348283A）公开了一种四氧化三钴纳米管及纳米晶的溶剂热合成方法，该专利技术采用了溶剂热法，即以环己烷作为反应溶剂，将二价的钴盐以一定的浓度溶于其中，加入氨水作为络合剂和沉淀剂，在高压釜中一定温度反应一段时间直接生产出四氧化三钴纳米管及纳米晶。这种方法制备的四氧化三钴具有形貌可控、分布均一、结晶度高等典型溶液热法的优点，但是该方法反应温度为220~260℃，增加了生产的能耗，使得产品成本提高，且生产过程中产生大量含氨根的废水需要处理，涉及的环保问题有待解决。

发明内容

本发明的目的之一在于针对目前四氧化三钴合成方法的缺陷，提供了一种四氧化三钴柱状结构材料的溶剂热合成方法，这种方法不但具有形貌可控、分布均一、结晶度高和能耗低等典型的溶液热法的优点，而且克服了溶剂热法产率低、纯度不高和形貌不均一等缺陷，适合大规模工业化生产。

所述四氧化三钴柱状结构材料的制备方法包括：将乙酸钴水溶液与丙三醇以1:1~8:1的体积比进行混合，加入尿素混合，然后将混合溶液置于密封反应器中反应，煅烧所得前驱物得到四氧化三钴柱状结构材料。

优选地，所述反应温度为130~210℃；

优选地，所述反应时间为至少3小时；

优选地，所述煅烧温度为200~500℃；

优选地，所述煅烧时间为至少1.5小时。

优选地，所述四氧化三钴柱状结构材料的制备方法包括以下步骤：

（1）将乙酸钴水溶液与丙三醇以1:1~8:1的体积比进行混合，加入尿素，混合；

（2）将步骤（1）得到的混合溶液加入至密封反应器，于130~210℃下反应至少3小时；

（3）对步骤（2）所得沉淀除杂；

（4）将步骤（3）干燥所得前驱物于200~500℃煅烧至少1.5小时，所得黑色粉末即为柱状结构四氧化三钴。