[发明专利]一种三维纳米级的花球状四氧化三钴材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维纳米级的花球状四氧化三钴材料的制备方法，属于能源存储材料制备技术领域。

背景技术

随着科技的快速发展和进步以及传统化石能源的日益匮乏，各种环境污染问题相继出现，迫切的要求科学家们研究一种新的清洁能源。超级电容器具有快速充放电、功率密度高、循环寿命长、工作温度范围广泛、环保安全等优点，，适用于一些常见的便携式系统，如电子产品和动力汽车，成为一种很有潜力的新能源存储器件。而四氧化三钴则是一种很重要的过渡金属氧化物，其理论比容量高达3560F/g，粉末呈现(灰)黑色，常温下不溶于盐酸、硝酸等强酸，但是可以慢慢溶于热硫酸，其价格低廉、自然资源储备量大。

Co₃O₄属于立方晶系，是一种重要的p-型半导体，其晶格参数为0.809nm，具有尖晶石AB₂O₄的结构，有较高的晶体场稳定性能。因其独特的物理和化学性质，在传感器、锂离子电池、超级电容器和催化等方面有着广泛的应用。

Co₃O₄材料的主要制备方法不断更新，现今主要有溶胶-凝胶法，喷雾热分解法，水热合成法，化学沉淀法等，然而四氧化三钴纳米颗粒在制备过程中很容易团聚成大颗粒且结构稳定性较差，而其形貌、晶型、比表面积和结构的稳定性对性能有着重要的影响。因此，制备出高性能四氧化三钴材料显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种操作简便的制备三维纳米级的花球状四氧化三钴材料的方法。本发明采用水热-煅烧方法制备，得到的三维材料形貌可控、结晶度高、具有分级结构，粒径大小均匀且分散性很好。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种三维纳米级的花球状四氧化三钴材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)按照质量体积比为5：1-20:1mg/ml，将醋酸钴加入到去离子水中超声15-30min，得到均匀分散的醋酸钴溶液，然后向其中加入弱酸，将溶液的pH值调至6.0-6.5；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入25wt％-28wt％氨水溶液，混合均匀后移入水热反应釜中，在100-140℃温度下进行反应，反应结束后，自然冷却至室温，得到反应液；

(3)将步骤(2)所得反应液离心，收集沉淀；然后用去离子水和无水乙醇洗涤沉淀至流出液的pH值呈中性，得到氢氧化钴粉末；

(4)将步骤(3)所得氢氧化钴粉末以5-8℃/min的升温速度升至800-850℃，在空气条件煅烧2-3h，之后自然冷却至室温，即得到三维纳米级的花球状四氧化三钴材料。

上述步骤(1)中，超声功率为300-400w。

上述步骤(1)中，所述弱酸为柠檬酸、醋酸或氢氟酸中任一种。

上述步骤(2)中，所述25wt％-28wt％氨水溶液和醋酸钴的质量比为1:3-1:10。

上述步骤(2)中，水热时间为12-16h。

上述步骤(3)中，干燥温度为60-80℃，干燥时间为10-12h。

本发明通过上述制备方法所得的三维四氧化三钴材料呈花球状形貌，花球状四氧化三钴的直径为8-15μm，其由粒径为400-600nm的纳米颗粒构成。

与现有的制备方法相比，本发明的有益效果如下所述：

1、该合成方法简单、原料来源丰富，成本低廉、制备过程环保。

2、本发明的得到四氧化三钴材料，呈花球状，其由纳米颗粒构成，具有分级结构。

3、本发明得到的四氧化三钴材料，具有三维微米或纳米的孔状结构，分散性能好、粒径大小均匀，结晶度高且形貌可控。

4、本发明得到的四氧化三钴材料具有较好的电化学活性，其比容量最高可达679F/g，因此可直接用于超级电容器电极材料。

附图说明

图1为实施例1所得氢氧化钴材料的扫描电镜图。

图2为实施例1所得四氧化三钴材料的扫描电镜图。

图3为实施例1所得四氧化三钴材料的X射线衍射图。

图4为实施例2所得氢氧化钴材料的扫描电镜图。

图5为实施例2所得四氧化三钴材料的性能曲线图。

图6为实施例3所得四氧化三钴材料的扫描电镜图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步描述，需要说明的是本具体实施例，并不构成对本发明要求保护范围的限制。