一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201310104933.0	申请日：	2013.03.29
公开号：	CN103170646A	公开日：	2013.06.26
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):B22F 9/24申请公布日:20130626\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):B22F 9/24申请日:20130329\|\|\|公开
IPC分类号：	B22F9/24; B82Y40/00(2011.01)I	主分类号：	B22F9/24
申请人：	太原理工大学
发明人：	李朋伟; 李安丽; 李刚; 胡杰; 桑胜波; 张文栋
地址：	030024 山西省太原市迎泽西大街79号
优先权：
专利代理机构：	山西五维专利事务所(有限公司) 14105	代理人：	杨耀田
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内容摘要

一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法，涉及金属钴纳米材料的制备，解决现有技术尚无分形结构的钴基纳米材料制备方法的问题。本发明的步骤如下：1）以钴盐和还原剂为混合前驱体，将其溶于碱性去离子水溶液中，搅拌至完全溶解；2）将所得前驱体溶液移入反应釜中升温反应；3）冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤后离心、真空干燥，即可制得金属钴分形结构的纳米材料。本发明材料成本低，合成方法简单、易于操作；通过对反应物浓度、温度、PH值的控制易于实现对反应速度的调节，进而获得产物形貌、尺寸有效可控的金属钴分形结构的纳米材料。

权利要求书

权利要求书
1.   一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法，步骤如下：
1）以钴盐和还原剂为混合前驱体，将其溶于碱性去离子水溶液中，搅拌至完全溶解；
2）将所得前驱体溶液移入反应釜中，升温反应；
3）冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤后离心、真空干燥，即可制得金属钴分形结构的纳米材料。

2.   根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述钴盐为氯化钴、硫酸钴、碳酸钴、草酸钴、乙酸钴或碱式碳酸钴。

3.   根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述还原剂为水合肼或硼氢化钠。

4.   根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述钴盐和还原剂的质量比为1:10～100，去离子水的用量为钴盐和还原剂总质量的5～20倍。

5.   根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述碱性去离子水溶液为氢氧化钠或氢氧化钾的去离子水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾的摩尔浓度为0～5mol/L，溶液PH值为7～14。

6.   根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述前驱体溶液的反应温度为90～180℃，反应时间为2～4小时。

7.   根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min；真空干燥在电热真空干燥箱中进行，真空度为‑0.1MPa。

说明书

说明书一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法
技术领域
本发明涉及金属钴（Co）纳米材料的制备方法，具体涉及一种金属钴分形结构纳米材料的水热合成方法。
背景技术
钴是一种淡灰色的过渡性金属，具有强磁性，质硬而脆，在常温气氛中化学稳定性好，其主要物理、化学参数与铁、镍接近，属铁族元素。由于其优良的物理、化学和机械性能，是生产耐高温、耐腐蚀、高强度和强磁性等材料的重要原料。钴的最大应用领域是二次电池。锂二次电池的研究开发竞争十分激烈，世界发达国家都把合成电化学性能优越与安全性能良好的锂离子二次电池用正极材料作为研究开发的重点，开发的正极材料有钴酸锂或氧化锂镍钴或氧化锂钴锰。由于钴的优良性质，在制造耐高温、耐腐蚀合金方面很难被其他金属代替，目前超级合金是钴的第二大应用领域。此外，钴粉被广泛的用做高温合金黏结剂、稀土永磁功能材料以及工业催化剂等。
相比于块体材料，钴纳米材料由于小尺寸效应、表面效应等微观效应的影响，展现出更加独特的磁学、催化性能。这使得它在磁感应器、高密度磁存储介质、催化等方面具有更为广阔的潜在应用价值。迄今为止，有关金属钴的纳米颗粒、棒、纳米线、纳米链、纳米管、纳米花等多种特殊形貌的纳米材料都已被深入研究，但具有分形结构的钴基纳米材料的制备方法未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法，解决现有技术尚无分形结构的钴基纳米材料制备方法的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法，步骤如下：
1）以钴盐和还原剂为混合前驱体，将其溶于碱性去离子水溶液中，搅拌至完全溶解；
2）将所得前驱体溶液移入反应釜中，升温反应；
3）冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤后离心、真空干燥，即可制得金属钴纳米叶片、纳米雪花、纳米树枝等分形结构的纳米材料。
所述钴盐为氯化钴、硫酸钴、碳酸钴、草酸钴、乙酸钴或碱式碳酸钴。
所述还原剂为水合肼或硼氢化钠。
所述钴盐和还原剂的质量比为1:10～100，去离子水的用量为钴盐和还原剂总质量的5～20倍。
所述碱性去离子水溶液为氢氧化钠或氢氧化钾的去离子水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾的摩尔浓度为0～5mol/L，溶液PH值为7～14。
所述前驱体溶液的反应温度为90～180℃，反应时间为2～4小时。
所述去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min；真空干燥在电热真空干燥箱中进行，真空度为‑0.1MPa。
本发明的优点在于前驱体材料成本低，合成方法简单、易于操作；通过对反应物浓度、反应体系温度、PH值的控制易于实现对反应速度的调节，进而获得产物形貌、尺寸有效可控的金属钴分形结构的纳米材料。
附图说明
图1为本发明制得的一种雪花状纳米钴单质晶体的SEM图；
图2为本发明制得的一种树枝状纳米钴单质晶体的SEM图；
图3为本发明制得的一种叶片状纳米钴单质晶体的XRD图。
具体实施方式
实施例1：
称取0.143g氯化钴、4ml水合肼，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠摩尔浓度为1.5mol/L，溶液PH值为7，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至180℃反应3小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为‑0.1MPa，即可制得雪花状纳米钴单质晶体（见图1）。
实施例2：
称取0.143g氯化钴、1.9g硼氢化钠，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠浓度为5mol/L，溶液PH值为9，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至100℃反应4小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为‑0.1MPa，即可制得树枝状纳米钴单质晶体（见图2）。
实施例3：
称取0.72g乙酸钴、4ml水合肼，加入40ml氢氧化钾去离子水溶液中，氢氧化钾浓度为1.5mol/L，溶液PH值为8，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，利用恒温干燥箱加热至120℃反应2小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为‑0.1MPa，即可制得叶片状纳米钴单质晶体（见图3）。
图3为所得材料的XRD图，采用X’Pert Pro MPD X射线衍射仪（Cu靶Kα射线，波长λ=0.154nm）。对照标准卡片可以看出，合成的材料为六方密堆结构的钴单质晶体。
实施例4：
称取0.143g硫酸钴、4ml水合肼，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠摩尔浓度为1.5mol/L，溶液PH值为7，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至90℃反应4小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为‑0.1MPa，即可制得雪花状纳米钴单质晶体（见图1）。
实施例5：
称取0.143g碳酸钴、1.9g硼氢化钠，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠浓度为5mol/L，溶液PH值为9，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至100℃反应4小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为‑0.1MPa，即可制得树枝状纳米钴单质晶体（见图2）。
实施例6：
称取0.72g草酸钴、72ml水合肼，加入360ml氢氧化钾去离子水溶液中，氢氧化钾浓度为1.5mol/L，溶液PH值为14，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，利用恒温干燥箱加热至120℃反应2小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为‑0.1MPa，即可制得叶片状纳米钴单质晶体（见图3）。
实施例7：
称取0.143g碱式碳酸钴、4ml水合肼，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠摩尔浓度为1.5mol/L，溶液PH值为7，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至90℃反应4小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为‑0.1MPa，即可制得雪花状纳米钴单质晶体（见图1）。

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1、(10)申请公布号 CN 103170646 A(43)申请公布日 2013.06.26CN103170646A*CN103170646A*(21)申请号 201310104933.0(22)申请日 2013.03.29B22F 9/24(2006.01)B82Y 40/00(2011.01)(71)申请人太原理工大学地址 030024 山西省太原市迎泽西大街79号(72)发明人李朋伟李安丽李刚胡杰桑胜波张文栋(74)专利代理机构山西五维专利事务所(有限公司) 14105代理人杨耀田(54) 发明名称一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法(57) 摘要一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法。

2、，涉及金属钴纳米材料的制备，解决现有技术尚无分形结构的钴基纳米材料制备方法的问题。本发明的步骤如下：1）以钴盐和还原剂为混合前驱体，将其溶于碱性去离子水溶液中，搅拌至完全溶解；2）将所得前驱体溶液移入反应釜中升温反应；3）冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤后离心、真空干燥，即可制得金属钴分形结构的纳米材料。本发明材料成本低，合成方法简单、易于操作；通过对反应物浓度、温度、PH值的控制易于实现对反应速度的调节，进而获得产物形貌、尺寸有效可控的金属钴分形结构的纳米材料。(51)Int.Cl.权利要求书1页说明书3页附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页。

3、说明书3页附图2页(10)申请公布号 CN 103170646 ACN 103170646 A1/1页21.一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法，步骤如下：1）以钴盐和还原剂为混合前驱体，将其溶于碱性去离子水溶液中，搅拌至完全溶解；2）将所得前驱体溶液移入反应釜中，升温反应；3）冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤后离心、真空干燥，即可制得金属钴分形结构的纳米材料。2.根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述钴盐为氯化钴、硫酸钴、碳酸钴、草酸钴、乙酸钴或碱式碳酸钴。3.根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述还原剂为水合肼或硼氢化钠。。

4、4.根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述钴盐和还原剂的质量比为1:10100，去离子水的用量为钴盐和还原剂总质量的520倍。5.根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述碱性去离子水溶液为氢氧化钠或氢氧化钾的去离子水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾的摩尔浓度为05mol/L，溶液PH值为714。6.根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述前驱体溶液的反应温度为90180，反应时间为24小时。7.根据权利要求1所述金属钴分形结构纳米材料的合成方法，其特征在于：所述去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/mi。

5、n；真空干燥在电热真空干燥箱中进行，真空度为-0.1MPa。权利要求书CN 103170646 A1/3页3一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法技术领域0001 本发明涉及金属钴（Co）纳米材料的制备方法，具体涉及一种金属钴分形结构纳米材料的水热合成方法。背景技术0002 钴是一种淡灰色的过渡性金属，具有强磁性，质硬而脆，在常温气氛中化学稳定性好，其主要物理、化学参数与铁、镍接近，属铁族元素。由于其优良的物理、化学和机械性能，是生产耐高温、耐腐蚀、高强度和强磁性等材料的重要原料。钴的最大应用领域是二次电池。锂二次电池的研究开发竞争十分激烈，世界发达国家都把合成电化学性能优越与安全性能良。

6、好的锂离子二次电池用正极材料作为研究开发的重点，开发的正极材料有钴酸锂或氧化锂镍钴或氧化锂钴锰。由于钴的优良性质，在制造耐高温、耐腐蚀合金方面很难被其他金属代替，目前超级合金是钴的第二大应用领域。此外，钴粉被广泛的用做高温合金黏结剂、稀土永磁功能材料以及工业催化剂等。0003 相比于块体材料，钴纳米材料由于小尺寸效应、表面效应等微观效应的影响，展现出更加独特的磁学、催化性能。这使得它在磁感应器、高密度磁存储介质、催化等方面具有更为广阔的潜在应用价值。迄今为止，有关金属钴的纳米颗粒、棒、纳米线、纳米链、纳米管、纳米花等多种特殊形貌的纳米材料都已被深入研究，但具有分形结构的钴基纳米材料的制备方法未。

7、见报道。发明内容0004 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法，解决现有技术尚无分形结构的钴基纳米材料制备方法的技术问题。0005 本发明是通过以下技术方案实现的：0006 一种金属钴分形结构纳米材料的合成方法，步骤如下：0007 1）以钴盐和还原剂为混合前驱体，将其溶于碱性去离子水溶液中，搅拌至完全溶解；0008 2）将所得前驱体溶液移入反应釜中，升温反应；0009 3）冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤后离心、真空干燥，即可制得金属钴纳米叶片、纳米雪花、纳米树枝等分形结构的纳米材料。0010 所述钴盐为氯化钴、硫酸钴、碳酸钴、草酸钴、乙酸钴或碱式碳。

8、酸钴。0011 所述还原剂为水合肼或硼氢化钠。0012 所述钴盐和还原剂的质量比为1:10100，去离子水的用量为钴盐和还原剂总质量的520倍。0013 所述碱性去离子水溶液为氢氧化钠或氢氧化钾的去离子水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾的摩尔浓度为05mol/L，溶液PH值为714。0014 所述前驱体溶液的反应温度为90180，反应时间为24小时。说明书CN 103170646 A2/3页40015 所述去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min；真空干燥在电热真空干燥箱中进行，真空度为-0.1MPa。0016 本发明的优点在于前驱体材料成本低，合成方法简单、易于操作；通过对反应。

9、物浓度、反应体系温度、PH值的控制易于实现对反应速度的调节，进而获得产物形貌、尺寸有效可控的金属钴分形结构的纳米材料。附图说明0017 图1为本发明制得的一种雪花状纳米钴单质晶体的SEM图；0018 图2为本发明制得的一种树枝状纳米钴单质晶体的SEM图；0019 图3为本发明制得的一种叶片状纳米钴单质晶体的XRD图。具体实施方式0020 实施例1：0021 称取0.143g氯化钴、4ml水合肼，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠摩尔浓度为1.5mol/L，溶液PH值为7，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加。

10、热至180反应3小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为-0.1MPa，即可制得雪花状纳米钴单质晶体（见图1）。0022 实施例2：0023 称取0.143g氯化钴、1.9g硼氢化钠，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠浓度为5mol/L，溶液PH值为9，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至100反应4小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真。

11、空度为-0.1MPa，即可制得树枝状纳米钴单质晶体（见图2）。0024 实施例3：0025 称取0.72g乙酸钴、4ml水合肼，加入40ml氢氧化钾去离子水溶液中，氢氧化钾浓度为1.5mol/L，溶液PH值为8，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，利用恒温干燥箱加热至120反应2小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为-0.1MPa，即可制得叶片状纳米钴单质晶体（见图3）。0026 图3为所得材料的XRD图，采用XPert Pro MPD X射线。

12、衍射仪（Cu靶K射线，波长=0.154nm）。对照标准卡片可以看出，合成的材料为六方密堆结构的钴单质晶体。0027 实施例4：0028 称取0.143g硫酸钴、4ml水合肼，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠摩尔浓度为1.5mol/L，溶液PH值为7，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至90反应4小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为-0.1MPa，即可制得雪花状纳米钴单质晶体（见图说明书CN 103170646。

13、 A3/3页51）。0029 实施例5：0030 称取0.143g碳酸钴、1.9g硼氢化钠，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠浓度为5mol/L，溶液PH值为9，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至100反应4小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为-0.1MPa，即可制得树枝状纳米钴单质晶体（见图2）。0031 实施例6：0032 称取0.72g草酸钴、72ml水合肼，加入360ml氢氧化钾去离子水溶液中，氢氧化钾浓。

14、度为1.5mol/L，溶液PH值为14，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，利用恒温干燥箱加热至120反应2小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为-0.1MPa，即可制得叶片状纳米钴单质晶体（见图3）。0033 实施例7：0034 称取0.143g碱式碳酸钴、4ml水合肼，加入40ml氢氧化钠去离子水溶液中，氢氧化钠摩尔浓度为1.5mol/L，溶液PH值为7，并使其完全溶解，在常温下搅拌半小时，使前驱体溶液充分混合均匀；将混合均匀的前驱体溶液转移至反应釜中，用恒温干燥箱加热至90反应4小时；冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、离心3次，离心机转速15000rad/min，之后在电热真空干燥箱中干燥，真空度为-0.1MPa，即可制得雪花状纳米钴单质晶体（见图1）。说明书CN 103170646 A1/2页6图1图2说明书附图CN 103170646 A2/2页7图3说明书附图CN 103170646 A。

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