[发明专利]一种四氧化三钴的无溶剂合成方法及其应用

说明书

本发明涉及一种四氧化三钴的无溶剂合成方法及应用，将二价钴源与碱源通过固相研磨的方法充分混合，然后静置加热即可形成，不使用任何的溶剂，而且操作温度相对温和，合成的时空效率较高，对丙酮、甲苯等气体也有较好的气敏性能，除此之外，无溶剂法合成的四氧化三钴具有较高的电容密度，在电池负极材料的应用也有较好的前景。

技术领域

本发明公开了一种四氧化三钴的无溶剂合成方法及其应用，涉及四氧化三钴的合成与应用领域。

背景技术

四氧化三钴是一种宽禁带宽度的半导体材料，禁带宽度为2.1eV，可以用于锂离子电池(Mater.Res.Bull.,1997,32,9-14)、气体传感器(Sens.Actuators,B,2010,146,183-189)、超级电容(J.Power Sources,2010,195,1757-1760)、磁性材料(J.Magn.Magn.Mater.,2002,246,184-190)、多相催化剂(Chem.Mater.,2002,14,3090-3099)等领域。

除了在上述方面的潜在应用外，四氧化三钴在锂离子电池负极材料也极具应用前景。目前广泛应用的商业化石墨类碳负极材料具有良好的循环性能，但其比容量(300～350mA·h/g)较低.不能满足高比能量电池的发展要求。迫切需要进行新型高容量负极材料的探索和研究。三氧化二铁(Fe₂O₃)、四氧化三钴(Co₃O₄)、氧化镍(NiO)、二氧化锰(MnO₂)、二氧化钛(TiO₂)和二氧化锡(SnO₂)等金属氧化物具有良好的电化学性能，非常有希望成为锂离子电池负极材料。在这些金属氧化物中，四氧化三钴由于具有很高的理论容量，在作为锂电池负极材料方面被广泛研究。四氧化三钴理论比容量达到890mA·h/g，是石墨烯理论容量372mA·h/g的2倍多，极有希望成为下一代锂离子电池负极材料。

鉴于四氧化三钴的重要工业应用，其低成本合成方法是材料领域重点研究方向。

专利CN101269848A一种高密度球形四氧化三钴的制备方法，它按下述步骤进行：①、首先用去离子水分别将工业级的钴盐与添加剂配制成钴盐浓度为0.5M～10M、添加剂浓度为0.05M～5M的溶液；②、用去离子水将工业级的碱性沉淀剂、络合剂配成碱性沉淀剂浓度为1M～15M、络合剂浓度为0.05M～5M的溶液；③、打开反应容器的搅拌，先投入1升的去离子水做底水，并将底水加热到30℃～70℃。按①∶②＝1.00∶1～4.0，将①、②两种溶液同时加入到反应容器中，控制PH值9～13.5，反应生成的沉淀溢流在另一容器中陈化4～10小时即可；④、然后过滤③项的沉淀，并用滤饼的3～10倍重量的去离子水洗涤1～5次，直到PH小于7.5，然后过滤，滤饼在70～120℃的烘箱中烘4～15小时，即可烘干；⑤、取④项的烘干粉末在350～900℃温度下煅烧2～10小时，得到纯度≥99.5％的高密度球形四氧化三钴。该四氧化三钴的合成方法属于有水合成方法，工业合成时将产生大量的废水。含钴工业废水处理难度大，环保成本高。

无溶剂合成是一种绿色经济的粉末材料合成方法，因为合成时避免溶剂的使用，仅通过将合成使用的固体原料进行固相充分研磨，然后密闭加热的方法制备得到所需粉末材料。无溶剂合成方法目前已被报道用于多种纳米材料的化学合成，包括ZSM-5等工业分子筛(JACS,2015,137,1052-1055,JACS,2014,136,4019-4025,Angew.Chem.-Int.Edit.,2013,52,9172-9175)、金属有机框架材料[Cu(INA)₂](CrystEngComm,2006,8,211-214)和MAF-4(Chem.Commun.,2011,47,9185-9187)等多孔材料。

四氧化三钴尚未见无溶剂合成方法的报道。

发明内容