[发明专利]一种中空六元环状羟基氧化钴纳米材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种中空六元环状羟基氧化钴纳米材料及其制备方法，属于无机材料领域。该中空六元环状羟基氧化钴的六条边的长度均为50‑150nm，纵向厚度为10‑20nm，壁厚为20‑30nm，其制备方法具体过程如下：(1)将钴盐水溶液和强碱水溶液并流滴入三口烧瓶中，在惰性气氛及搅拌条件下反应一定时间；(2)撤掉保护气，加入一定量的强氧化剂，继续陈化；(3)陈化结束后所得悬浊液经过滤、洗涤、干燥，得到一种中空六元环状羟基氧化钴纳米材料。本发明具有工艺流程简单、反应条件温和，易大规模制备等优点，所得产品粒度分布窄、形貌可控、重现性好，有望在超级电容器、锂离子电池及催化等领域得到应用。

技术领域

本发明属于无机材料领域，具体涉及一种中空六元环状羟基氧化钴纳米材料及其制备方法。

技术背景

随着我国经济社会的快速发展，能源形势与环境问题日益严峻。锂离子电池因具有能耗低、比容量和比能量高、工作电压高、循环寿命长、自放电小、环境友好等优点，被广泛应用于笔记本电脑、移动电话、照相机等便携式电子设备。近年来由于电动汽车的蓬勃发展，作为电动汽车动力来源的锂离子电池受到了更广泛的关注与研究。通常，锂离子电池性能主要取决于组成电池的电极材料和电解液材料。相对于负极而言，锂离子电池正极材料的研究相对滞后。钴酸锂因具有放电电压高、充放电电压平稳、比能量高等优点，是目前锂离子电池最为常用的正极材料。羟基氧化钴作为生产钴酸锂的常见钴源之一，其结构与性质对钴酸锂的电化学性能具有明显影响。因此，开发高性能羟基氧化钴纳米材料及制备工艺具有广阔的应用前景。

研究发现，纳米材料的性能主要取决于其尺寸及形貌。纳米材料的可控制备，即尺寸与形貌的可控制备是相关领域研究人员追求的目标。从公开发表的论文与专利来看，相对于氢氧化钴及四氧化三钴，关于羟基氧化钴的研究较少，其制备工艺还处于初级阶段。专利CN201310375503.2公开了一种纳米级羟基氧化钴的合成工艺，经过溶液配制、反应、陈化和后处理等步骤制备得到纳米级羟基氧化钴。然而，所得羟基氧化钴无规则形貌，粒度分布较宽。专利CN201210068153.0公开了一种类球形羟基氧化钴的制备方法。该制备方法存在反应周期长、制备过程复杂等缺点。专利CN201310124558.6公开了一种羟基氧化钴的制备方法，首先向碱溶液中加入络合剂及还原剂，然后与钴盐溶液反应，在氮气保护下得到氢氧化亚钴。该氢氧化亚钴经过滤洗涤后转入氧化釜中进行氧化反应，最终制备得到羟基氧化钴。显然，该方法制备过程复杂，所需设备庞大(氧化釜)。综上，目前还未有关于中空六元环状羟基氧化钴纳米材料及制备方法的报道。本发明首次提供了一种纳米级六纳米元环状羟基氧化钴材料及其制备方法。本发明具有工艺流程简单，过程能耗低，产品形貌和粒径可控，易大规模生产等优点，所得中空六元环状羟基氧化钴纳米材料有望在锂离子电池、超级电容器、催化等领域得到应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中空六元环状羟基氧化钴纳米材料及其制备方法，以期应用于锂离子电池、超级电容器、催化等领域。该中空六元环状羟基氧化钴纳米材料分子式为CoOOH，该中空六元环状羟基氧化钴的(横截面)六条边的长度均为50-150nm，纵向厚度为10-20nm，壁厚为20-30nm。其制备方法具体包括如下步骤：

(1)配制钴盐和强碱水溶液，所述钴盐水溶液中钴离子(Co²⁺)摩尔浓度为0.05-1.0mol/L，所述强碱水溶液中氢氧根离子(OH^-)摩尔浓度为0.05-5.0mol/L；

(2)将钴盐水溶液和强碱水溶液以相同流量并流滴入三口烧瓶中，在惰性气氛及搅拌条件下，于30-80℃反应0.5-2h；

(3)撤掉惰性气体，加入一定量的强氧化剂，继续陈化0.2-4h；

(4)陈化结束后，所得悬浊液经过滤、洗涤、干燥，得到一种中空六元环状羟基氧化钴纳米材料。

上述技术方案中钴盐为硫酸钴、氯化钴、硝酸钴、醋酸钴中的一种或几种。