納米Co3O4制備方法研究初探

楊慰珺

（江蘇省鹽城技師學(xué)院，江蘇 鹽城 224000）

納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、吸波效應(yīng)等特性，不同于普通材料，已引起科學(xué)家高度重視。因此，納米超細(xì)材料的合成新方法成為目前的研究熱點。

Co3O4（四氧化三鈷）是一種優(yōu)良的催化劑材料，其粒徑越小，催化效果越好。此外，Co3O4納米材料還具有較高的放電容量和良好的循環(huán)可逆性，所以Co3O4納米材料常被用作鋰離子電池材料。其還能夠被用在硬質(zhì)合金以及有色玻璃等眾多較為實用的方面，屬于一類性能較好的功能材料[1]。

1 納米Co3O4制備方法——水熱法

某學(xué)者以NH4OH為沉淀劑，H2O2為氧化劑，通過氧化Co(OH)2凝膠，合成了水滑石型鈷化合物。Co2+部分氧化為Co3+的過程產(chǎn)生帶正電荷的氫氧化物層 （[CoIICoIII-(OH)2]x）。根據(jù)電荷平衡原理，將CH3COO?、SO42-和NO3-等陰離子插入層間空間。這些水滑石類化合物通過水熱法分解轉(zhuǎn)化為Co3O4，并伴有納米結(jié)構(gòu)變形。最終產(chǎn)品的形狀和尺寸可以通過改變鈷源來控制[2]。運用水熱法制備Co3O4納米材料，其基本原理為：在一定的溫度或壓力下，含鈷的溶液經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成Co3O4。在高壓釜中進行水熱反應(yīng)，操作溫度一般大于100 ℃。該方法的優(yōu)點在于，由于產(chǎn)物是在較高能量的體系中得到，材料的尺寸和形貌可以通過多種手段進行控制。通過水熱法制備的Co3O4材料的種類最為豐富和齊全。

本實驗以Co(NO3)2·6H2O為鈷源，CTAB（十六烷基三甲基溴化銨）為表面活性劑，NaOH為堿源，采用水熱法一步制備Co3O4納米材料。

2 納米Co3O4的制備

2.1 實驗試劑

本實驗所用試劑如表1所示。

表1 實驗試劑一覽

2.2 實驗儀器

本實驗所用儀器如表2所示。

表2 實驗設(shè)備一覽

2.3 實驗步驟

取30 mL 0.1 mol/L的Co(NO3)2·6H2O溶液置于一個 100 mL燒杯中，再將0.4 g的CTAB倒入燒杯中，在室溫下用電動攪拌器溶解均勻。最后將30 mL 0.2 mol/L的NaOH加入燒杯中，25 ℃恒溫繼續(xù)攪拌30 min，形成懸浮液。攪拌結(jié)束后，將反應(yīng)好的混合物全部移至50 mL高壓反應(yīng)釜中，放入鼓風(fēng)干燥箱，在200 ℃的溫度下繼續(xù)反應(yīng)12 h。水熱反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)釜，讓其中的溶液冷卻至室溫再進行后處理。將反應(yīng)釜中的黑色混合物轉(zhuǎn)移至離心管，放入離心機中。離心結(jié)束后，用乙醇和蒸餾水各洗滌3次。洗滌結(jié)束后，將樣品放入60 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h，再將得到的黑色粉末放置馬弗爐中，400 ℃煅燒3 h，研磨得到Co3O4粉體[3]。

3 影響因素

3.1 反應(yīng)物濃度對產(chǎn)物的影響

改變硝酸鈷濃度，分別為0.1、0.2、0.4 mol/L，其他的量不變，進行3組實驗。然后對3組樣品進行紅外光譜表征，分析反應(yīng)物濃度對樣品的影響。

通過觀察不同濃度硝酸鈷下制備的Co3O4納米材料的紅外光譜圖，可見在這3組實驗樣品中，處于661、578 cm-1這兩個地方時，產(chǎn)生了Co3O4里面Co——O鍵的特征吸收峰，充分表明了所獲得的最終產(chǎn)物就是Co3O4。在3 423 cm-1周圍吸收峰所表示的是樣品吸收空氣里面水——OH的伸縮振動，而在 1 625 cm-1周圍吸收峰所表示的則是彎曲振動。在1 400 cm-1這個地方的吸收峰所表示的是NO3-的振動吸收峰，該吸收峰非常微弱，并不明顯，說明樣品水熱反應(yīng)較為完全。

3.2 加入CTAB的量對產(chǎn)物的影響

反應(yīng)物濃度不變，改變表面活性劑（CTAB）的量，分別為0.4、0.6、0.8 g，進行3組實驗。對3組樣品進行紅外光譜表征，分析表面活性劑對樣品的影響。

通過觀察不同表面活性劑下制備的Co3O4納米材料的紅外光譜圖，可見在這3組實驗樣品中，處于665、569 cm-1這兩個地方時，產(chǎn)生了Co3O4里面Co——O鍵的特征吸收峰，充分表明了所獲得的最終產(chǎn)物就是Co3O4，形貌特征也非常好，在3 404、1 615 cm-1處，3組都出現(xiàn)了明顯的——OH伸縮振動峰，是樣品置于空氣中吸收空氣中的水分所形成的。在 1 407 cm-1處的吸收峰屬于NO3-的振動吸收峰，其吸收峰幾乎不可見，說明樣品水熱反應(yīng)完全，經(jīng)過煅燒后形貌良好。

3.3 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物的影響

反應(yīng)物的濃度依然保持不變，表面活性劑的含量也保持不變，調(diào)整反應(yīng)溫度。展開3組實驗，對3組樣品進行紅外光譜表征，分析反應(yīng)溫度對樣品的影響。通過觀察不同反應(yīng)溫度下制備的Co3O4納米材料的紅外光譜圖，可見3組樣品在662、565 cm-1處都出現(xiàn)Co3O4中Co——O鍵的特征吸收峰，說明得到的產(chǎn)物為Co3O4，形貌較好，在3 399、1 619 cm-1處，3組都出現(xiàn)了明顯的——OH伸縮振動峰，是樣品置于空氣中吸收空氣中的水分所形成的。在1 397 cm-1處的吸收峰屬于NO3-的振動吸收峰，其吸收峰幾乎不可見，說明樣品水熱反應(yīng)完全，經(jīng)過煅燒后形貌良好[4]。

4 結(jié)語

通過改變濃度發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)物濃度的升高，Co3O4納米材料的晶粒尺寸也隨之增大，所加入的表面活性劑含量對Co3O4納米材料的形貌特征不會產(chǎn)生較大的影響。改變反應(yīng)溫度，Co3O4顆粒的晶粒尺寸由2.8 nm增加到4.7 nm，再降到2.9 nm，有明顯的變化。通過水熱法合成的Co3O4納米材料為40.0～160.0 nm的塊狀顆粒，所以，采用水熱法可以制備出具有良好形貌和分散性的Co3O4納米顆粒。