本發(fā)明屬于新材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種Co₂O₃納米片及其制備方法。

背景技術(shù)：

氧化鈷作為一種重要的半導(dǎo)體過渡金屬氧化物，它在催化、超級(jí)電容、磁性、鋰電池等許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外報(bào)道制備納米氧化鈷的方法不多。文獻(xiàn)“Self-supported hydrothermal synthesized hollow Co₃O₄ nanowire arrays with high supercapacitor capacitance,"Journal of Materials Chemistry,2011,21:9319-9325.”采用的是水熱法；文獻(xiàn)“Shape-controlled synthesis and characterization of cobalt oxides hollow spheres and octahedra,Dalton Transactions,2012,41:5981-5987.”采用的是熱分解法；文獻(xiàn)“Synthesis and optical properties of cubic Co₃O₄nanoparticles via thermal treatment of a trinuclear cobalt complex”采用的是前驅(qū)體法。這些方法主要制備的均為四氧化三鈷，并且雖然獲得了納米級(jí)的四氧化三鈷，但是工藝復(fù)雜且不利于產(chǎn)業(yè)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種產(chǎn)物純度高、工藝簡(jiǎn)單且易于產(chǎn)業(yè)化的Co₂O₃納米片及其制備方法。

本發(fā)明的一方面提供了Co₂O₃納米片的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

A、將硫酸鈷、氯化鈷、硼酸、檸檬酸三鈉和鄰磺酰苯甲酰亞胺溶于蒸餾水中配制成鍍液，其中，控制每升蒸餾水中硫酸鈷的加入量為100～200g、氯化鈷的加入量為80～120g、硼酸的加入量為8～15g、檸檬酸三鈉的加入量為100～200g、鄰磺酰苯甲酰亞胺的加入量為0.2～0.8g；

B、采用ITO導(dǎo)電玻璃作為基片，利用所述鍍液在基片上電鍍形成金屬鈷鍍層；

C、采用氧化法對(duì)含有金屬鈷鍍層的基片進(jìn)行氧化，得到Co₂O₃納米片。

根據(jù)本發(fā)明Co₂O₃納米片的制備方法的一個(gè)實(shí)施例，在步驟B中，依次用丙酮、乙醇和蒸餾水清洗ITO導(dǎo)電玻璃并在吹干后備用。

根據(jù)本發(fā)明Co₂O₃納米片的制備方法的一個(gè)實(shí)施例，將清洗后的ITO導(dǎo)電玻璃作為陰極，采用鉑電極作為陽(yáng)極，在所述鍍液中進(jìn)行電鍍。

根據(jù)本發(fā)明Co₂O₃納米片的制備方法的一個(gè)實(shí)施例，電鍍采用直流穩(wěn)壓電源供電，通電前利用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)所述鍍液的pH值為3.0～5.0并控制鍍液的溫度為20～60℃，通電后控制電流密度為10～200mA/cm²，在電鍍過程中采用電磁攪拌鍍液并控制攪拌速度為50～150r/min，控制通電時(shí)間為5～120min，通電結(jié)束后將含有金屬鈷鍍層的基片取出并用蒸餾水清洗后吹干放入干燥箱中備用。

根據(jù)本發(fā)明Co₂O₃納米片的制備方法的一個(gè)實(shí)施例，在步驟C中，采用氧化裝置對(duì)含有金屬鈷鍍層的基片進(jìn)行氧化，其中，

所述氧化裝置包括通過管路依次連接的氬氣供給單元、氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元、管式爐和真空泵；

所述氬氣供給單元包括氬氣瓶和設(shè)置在氬氣瓶的出氣管上的調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)；

所述氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元包括恒溫水槽和設(shè)置在恒溫水槽中的密封容器，所述密封容器中裝有蒸餾水，所述氬氣供給單元的出氣管通入所述密封容器的蒸餾水中；

所述管式爐中設(shè)置有盛裝含有金屬鈷鍍層的基片的瓷盤，所述管式爐的進(jìn)氣管伸入所述密封容器中且高于所述密封容器中的蒸餾水液面。

根據(jù)本發(fā)明Co₂O₃納米片的制備方法的一個(gè)實(shí)施例，將含有金屬鈷鍍層的基片放入所述管式爐中并抽真空排出爐內(nèi)空氣，以20～100mL/min的流量向氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元的密封容器中通入氬氣，控制所述氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元的恒溫水槽的溫度為15～35℃并使所述氬氣攜帶水蒸汽進(jìn)入管式爐中，通氬氣20～30分鐘之后以60～120℃/h的升溫速度將管式爐升溫至900～1100℃，保溫2～8h后停止加熱并隨爐冷卻至室溫，得到Co₂O₃納米片。

本發(fā)明的另一方面提供了一種Co₂O₃納米片，所述Co₂O₃納米片采用上述Co₂O₃納米片的制備方法制備得到。

根據(jù)本發(fā)明Co₂O₃納米片的一個(gè)實(shí)施例，所述Co₂O₃納米片的長(zhǎng)度為2～5μm，寬度和厚度均為200～600nm。

本發(fā)明的原料成本低廉，制備工藝易于產(chǎn)業(yè)化，有較大的實(shí)用價(jià)值；所得產(chǎn)物產(chǎn)量高、純度高、形貌均一、尺寸分布窄且長(zhǎng)徑比大，其作為一種重要的半導(dǎo)體過渡金屬氧化物，在催化、超級(jí)電容、磁性、鋰電池等許多領(lǐng)域都可以得到應(yīng)用。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明中所使用的氧化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出了實(shí)施例1中制備得到的Co₂O₃納米片的SEM照片。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。

下面先對(duì)本發(fā)明Co₂O₃納米片的制備方法進(jìn)行詳細(xì)地說明。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述Co₂O₃納米片的制備方法包括以下多個(gè)步驟。

步驟A：

將硫酸鈷、氯化鈷、硼酸、檸檬酸三鈉和鄰磺酰苯甲酰亞胺溶于蒸餾水中配制成鍍液，其中，控制每升蒸餾水中硫酸鈷的加入量為100～200g、氯化鈷的加入量為80～120g、硼酸的加入量為8～15g、檸檬酸三鈉的加入量為100～200g、鄰磺酰苯甲酰亞胺的加入量為0.2～0.8g。

本步驟配制得到的鍍液是為了在后續(xù)的電鍍步驟中在基片上面電鍍形成金屬鈷鍍層。其中，硫酸鈷和氯化鈷的作用是提供鈷源，電鍍時(shí)鈷離子在陰極沉積還原為鈷原子形成鈷鍍層，硼酸和檸檬酸三鈉的作用是起緩沖作用穩(wěn)定pH值，鄰磺酰苯甲酰亞胺的作用是細(xì)化金屬鈷鍍層中鈷的晶粒。

步驟B：

采用ITO導(dǎo)電玻璃作為基片，利用步驟A配制得到的鍍液在基片上電鍍形成金屬鈷鍍層。

在本步驟中，優(yōu)選地依次用丙酮、乙醇和蒸餾水清洗ITO導(dǎo)電玻璃并在吹干后備用。

將清洗后的ITO導(dǎo)電玻璃作為陰極，采用鉑電極作為陽(yáng)極，在鍍液中進(jìn)行電鍍。具體地，電鍍采用直流穩(wěn)壓電源供電，通電前利用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)鍍液的pH值為3.0～5.0并控制鍍液的溫度為20～60℃，通電后控制電流密度為10～200mA/cm²，在電鍍過程中采用電磁攪拌鍍液并控制攪拌速度為50～150r/min，控制通電時(shí)間為5～120min，通電結(jié)束后將含有金屬鈷鍍層的基片取出并用蒸餾水清洗后吹干放入干燥箱中備用。

步驟C：

采用氧化法對(duì)含有金屬鈷鍍層的基片進(jìn)行氧化，得到Co₂O₃納米片。

優(yōu)選地，采用特定的氧化裝置對(duì)含有金屬鈷鍍層的基片進(jìn)行氧化。圖1示出了本發(fā)明中所使用的氧化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明采用的氧化裝置包括通過管路依次連接的氬氣供給單元10、氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元20、管式爐30和真空泵40。氬氣供給單元10包括氬氣瓶11和設(shè)置在氬氣瓶11的出氣管12上的調(diào)節(jié)閥13和流量計(jì)14，氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元20包括恒溫水槽21和設(shè)置在恒溫水槽21中的密封容器22，密封容器22中裝有蒸餾水，氬氣供給單元10的出氣管12通入密封容器22的蒸餾水中。管式爐30中設(shè)置有盛裝含有金屬鈷鍍層的基片40的瓷盤31，管式爐30能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基片的可控加熱，管式爐30的進(jìn)氣管41伸入密封容器22中且高于密封容器22中的蒸餾水液面。管式爐30與真空泵50連接，以通過真空泵50對(duì)其進(jìn)行抽真空。此外，管式爐30上還設(shè)置有排空管60，以在氧化完成后實(shí)現(xiàn)排空。

本發(fā)明的氧化步驟優(yōu)選地采用上述結(jié)構(gòu)的氧化裝置進(jìn)行，但本發(fā)明不限于此。

在本步驟中，氧化法的具體步驟為：將含有金屬鈷鍍層的基片放入所述管式爐中并抽真空排出爐內(nèi)空氣，以20～100mL/min的流量向氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元的密封容器中通入氬氣，控制所述氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元的恒溫水槽的溫度為15～35℃并使所述氬氣攜帶水蒸汽進(jìn)入管式爐中，通氬氣20～30分鐘之后以60～120℃/h的升溫速度將管式爐升溫至900～1100℃，保溫2～8h后停止加熱并隨爐冷卻至室溫，得到Co₂O₃納米片。

在本步驟中，如果直接采用空氣進(jìn)行氧化，由于空氣中氧氣含量太高，不好控制氧化過程，很難得到本發(fā)明這種形貌的片狀氧化鈷。因此本發(fā)明創(chuàng)造性地采用了包括氣氛氧化能力調(diào)節(jié)單元的氧化裝置，將氬氣先通入裝有蒸餾水的密封容器的目的是利用氬氣作為載體把水蒸汽帶入管式爐中，從而利用具有合適含量氧氣的水蒸汽在高溫下來氧化金屬鈷得到片狀氧化鈷。其中，恒溫水槽21可以通過溫度控制水的蒸汽壓，改變水蒸汽帶來的氧分壓從而改變氧化條件。

本發(fā)明同時(shí)還提供了一種Co₂O₃納米片，該Co₂O₃納米片采用上述Co₂O₃納米片的制備方法制備得到。根據(jù)本發(fā)明，所述Co₂O₃納米片的長(zhǎng)度為2～5μm，寬度和厚度均為200～600nm。

應(yīng)理解，本發(fā)明詳述的上述實(shí)施方式及以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的Co₂O₃納米片及其制備方法作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

1)向1L容量的燒杯中盛入1L蒸餾水，依次加入150g硫酸鈷、100g氯化鈷、12g硼酸、150g檸檬酸三鈉和0.5g鄰磺酰苯甲酰亞胺，并不斷攪拌直至所有固體溶化得到鍍液。

2)將尺寸為20mm×20mm×1.1mm的ITO導(dǎo)電玻璃用丙酮清洗去除表面油污，再用乙醇清洗，最后用蒸餾水沖洗，吹干后待用。

3)把第2)步得到ITO導(dǎo)電玻璃基片作為陰極，采用鉑電極作為陽(yáng)極，在步驟1)中的鍍液中進(jìn)行電鍍；采用直流穩(wěn)壓電源供電，通電前利用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)鍍液pH為4.0，鍍液溫度為55℃；通電后設(shè)置電流密度為80mA/cm²，在電鍍過程中采用電磁攪拌鍍液，攪拌速度100r/min；通電時(shí)間15min；通電結(jié)束后將含有金屬鈷鍍層的基片取出，用蒸餾水清洗后吹干放入干燥箱中待用。

4)采用圖1所示的氧化裝置，將步驟3)中得到的含有金屬鈷鍍層的基片放入管式爐中，抽真空排除爐內(nèi)空氣，然后以流量50mL/min通入氬氣；控制恒溫水槽溫度為20℃；通入氬氣半小時(shí)后，以100℃/h的升溫速率對(duì)管式爐升溫至1000℃，保溫4h，然后停止加熱隨爐冷卻至室溫，取出樣品，基片表面金屬鈷被氧化，得到Co₂O₃納米片。其中，所得Co₂O₃納米片的形貌如圖2的SEM照片所示，Co₂O₃納米片的長(zhǎng)度為2～5μm，寬度和厚度均我200～600nm

實(shí)施例2：

1)向1L容量的燒杯中盛入1L蒸餾水，依次加入120g硫酸鈷、110g氯化鈷、13g硼酸、180g檸檬酸三鈉和0.6g鄰磺酰苯甲酰亞胺，并不斷攪拌直至所有固體溶化得到鍍液。

2)將尺寸為20mm×20mm×1.1mm的ITO導(dǎo)電玻璃用丙酮清洗去除表面油污，再用乙醇清洗，最后用蒸餾水沖洗，吹干后待用。

3)把第2)步得到ITO導(dǎo)電玻璃基片作為陰極，采用鉑電極作為陽(yáng)極，在步驟1)中的鍍液中進(jìn)行電鍍；采用直流穩(wěn)壓電源供電，通電前利用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)鍍液pH為4.0，鍍液溫度為55℃；通電后設(shè)置電流密度為10mA/cm²，在電鍍過程中采用電磁攪拌鍍液，攪拌速度100r/min；通電時(shí)間120min；通電結(jié)束后將含有金屬鈷鍍層的基片取出，用蒸餾水清洗后吹干放入干燥箱中待用。

4)采用圖1所示的氧化裝置，將步驟3)中得到的含有金屬鈷鍍層的基片放入管式爐中，抽真空排除爐內(nèi)空氣，然后以流量50mL/min通入氬氣；控制恒溫水槽溫度為20℃；通入氬氣半小時(shí)后，以80℃/h的升溫速率對(duì)管式爐升溫至900℃，保溫6h，然后停止加熱隨爐冷卻至室溫，取出樣品，基片表面金屬鈷被氧化，得到Co₂O₃納米片。

實(shí)施例3：

1)向1L容量的燒杯中盛入1L蒸餾水，依次加入200g硫酸鈷、150g氯化鈷、15g硼酸、100g檸檬酸三鈉和0.3g鄰磺酰苯甲酰亞胺，并不斷攪拌直至所有固體溶化得到鍍液。

2)將尺寸為20mm×20mm×1.1mm的ITO導(dǎo)電玻璃用丙酮清洗去除表面油污，再用乙醇清洗，最后用蒸餾水沖洗，吹干后待用。

3)把第2)步得到ITO導(dǎo)電玻璃基片作為陰極，采用鉑電極作為陽(yáng)極，在步驟1)中的鍍液中進(jìn)行電鍍；采用直流穩(wěn)壓電源供電，通電前利用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)鍍液pH為3.5，鍍液溫度為40℃；通電后設(shè)置電流密度為40mA/cm²，在電鍍過程中采用電磁攪拌鍍液，攪拌速度100r/min；通電時(shí)間30min；通電結(jié)束后將含有金屬鈷鍍層的基片取出，用蒸餾水清洗后吹干放入干燥箱中待用。

4)采用圖1所示的氧化裝置，將步驟3)中得到的含有金屬鈷鍍層的基片放入管式爐中，抽真空排除爐內(nèi)空氣，然后以流量30mL/min通入氬氣；控制恒溫水槽溫度為30℃；通入氬氣半小時(shí)后，以120℃/h的升溫速率對(duì)管式爐升溫至1100℃，保溫3h，然后停止加熱隨爐冷卻至室溫，取出樣品，基片表面金屬鈷被氧化，得到Co₂O₃納米片。

實(shí)施例4：

1)向1L容量的燒杯中盛入1L蒸餾水，依次加入110g硫酸鈷、90g氯化鈷、10g硼酸、130g檸檬酸三鈉和0.6g鄰磺酰苯甲酰亞胺，并不斷攪拌直至所有固體溶化得到鍍液。

2)將尺寸為20mm×20mm×1.1mm的ITO導(dǎo)電玻璃用丙酮清洗去除表面油污，再用乙醇清洗，最后用蒸餾水沖洗，吹干后待用。

3)把第2)步得到ITO導(dǎo)電玻璃基片作為陰極，采用鉑電極作為陽(yáng)極，在步驟1)中的鍍液中進(jìn)行電鍍；采用直流穩(wěn)壓電源供電，通電前利用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)鍍液pH為4.5，鍍液溫度為20℃；通電后設(shè)置電流密度為60mA/cm²，在電鍍過程中采用電磁攪拌鍍液，攪拌速度100r/min；通電時(shí)間20min；通電結(jié)束后將含有金屬鈷鍍層的基片取出，用蒸餾水清洗后吹干放入干燥箱中待用。

4)采用圖1所示的氧化裝置，將步驟3)中得到的含有金屬鈷鍍層的基片放入管式爐中，抽真空排除爐內(nèi)空氣，然后以流量80mL/min通入氬氣；控制恒溫水槽溫度為30℃；通入氬氣半小時(shí)后，以90℃/h的升溫速率對(duì)管式爐升溫至1050℃，保溫3.5h，然后停止加熱隨爐冷卻至室溫，取出樣品，基片表面金屬鈷被氧化，得到Co₂O₃納米片。

綜上所述，本發(fā)明的原料成本低廉，制備工藝易于產(chǎn)業(yè)化，有較大的實(shí)用價(jià)值；所得產(chǎn)物產(chǎn)量高、純度高、形貌均一、尺寸分布窄且長(zhǎng)徑比大，其作為一種重要的半導(dǎo)體過渡金屬氧化物，在催化、超級(jí)電容、磁性、鋰電池等許多領(lǐng)域都可以得到應(yīng)用。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。