一種納米薄片組裝鈷鋁氫氧化物多級微球及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種納米薄片組裝鈷鋁氫氧化物多級微球及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]層狀雙金屬氫氧化物(Layered double hydroxides簡寫“LDHs”)是一類由帶正電的水鎂石狀的層和層間含電荷補償作用的陰離子和溶劑化作用的分子組成的離子層狀化合物。其化學組成為:[M111 xMinx (OH)2] [An ]χ/η.ζΗ20,其中 Mn—般是 Mg 2+，Zn2+or Ni2+;Mm是Al 3+，Ga3+，F(xiàn)e3W Mn3+;A n為非骨架上起電荷補償作用的無機或有機陰離子，如:CO32，Cl，SO42，RCO2，X通常范圍在0.2?0.4.LDHs受到廣泛關(guān)注并應(yīng)用在磁性、催化、分離、吸附、生物傳感器、能量存儲等領(lǐng)域。
[0003]近年來，CoAl-LDHs在能量存儲和轉(zhuǎn)換上表現(xiàn)出來的特殊的性能引起越來越多的注意。如Cheng等報道了采用溶劑熱合成法制備了 CoAl-LDHs納米片陣列，作為超級電容器電極材料表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。超薄二維納米材料(如graphene，過渡金屬二硫化物等)，由于其高比例的表面原子和高的表面活性位點，獨特的結(jié)構(gòu)和表面特性使其成為與表面相關(guān)的電化學反應(yīng)的理想的形態(tài)學基礎(chǔ)。而超薄的LDHs的合成一般有:Top-down和Bottom-up兩種方法。雖然各種類型的LDHs通過Bottom-up方法制備出來，但是超薄的尤其是具有單層或雙層結(jié)構(gòu)的CoAl-LDHs納米片很難得到，原因在于CoAl-LDHs的電荷密度顯著高于其他片層固體。因此，采用一種通用的方法大規(guī)模合成單層或雙層超薄CoAl-LDHs納米片仍然是一個挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種操作簡單、生產(chǎn)成本低、可以獲得單雙層納米薄片組裝的層狀鈷鋁氫氧化物多級微球及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]—種納米薄片組裝鈷鋁氫氧化物多級微球，鈷鋁氫氧化物多級微球為典型的水滑石晶體結(jié)構(gòu)，由厚度小于2納米的納米薄片組裝而成。
[0007]納米薄片組裝鈷鋁氫氧化物多級微球的尺寸為300-500納米。
[0008]納米薄片組裝鈷鋁氫氧化物多級微球的制備方法，采用以下步驟:
[0009]I)將鋁鹽、鈷鹽、絡(luò)合劑檸檬酸三鈉、堿源混合溶于水和醇的混合溶劑中，配制成反應(yīng)液，其中鈷鹽的濃度為0.01?0.05mol.I \鋁鹽與鈷鹽的摩爾比為0.1?3，堿源與鋁鹽的摩爾比為6?15，檸檬酸三鈉與鋁鹽的摩爾比為0.02?2 ;
[0010]2)將反應(yīng)液移入帶有聚四氟乙烯內(nèi)膽的高壓反應(yīng)釜，于80?200°C中熱處理I?48小時后，自然冷卻到20-30°C，將產(chǎn)物離心分離，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干，即獲得單雙層納米片組裝的層狀鈷鋁氫氧化物多級微球。
[0011]優(yōu)選的，步驟I)中鈷鹽的濃度為0.02?0.04mol.I \鋁鹽與鈷鹽的摩爾比為0.1?I，堿源與鋁鹽的摩爾比為6?10，檸檬酸三鈉與鋁鹽的摩爾比為0.05?I ;
[0012]步驟2)中反應(yīng)溫度為100?160°C，熱處理3?24小時。
[0013]更加優(yōu)選的，步驟I)中鈷鹽的濃度為0.03mol.I \鋁鹽與鈷鹽的摩爾比為0.3，堿源與鋁鹽的摩爾比為8，檸檬酸三鈉與鋁鹽的摩爾比為0.064 ；
[0014]步驟2)中反應(yīng)溫度為120°C，熱處理12小時。
[0015]所述的鋁鹽為醋酸鋁、氯化鋁、硫酸鋁、硝酸鋁、碳酸鋁或乙酰丙酮鋁中的一種或幾種。
[0016]所述的鈷鹽為醋酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷、硝酸鈷、碳酸鈷或乙酰丙酮鈷中的一種或幾種。
[0017]所述的醇為乙二醇、甲醇、乙醇、異丙醇、丙三正丁醇或異丁醇中的一種或幾種。
[0018]所述的堿源為尿素、碳酸鈉或乙酸鈉中的一種或幾種。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0020](I)由于采用了檸檬酸三鈉為絡(luò)合劑，使得層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球在形成的過程中達到選擇性絡(luò)合金屬離子鈷和鋁的沉淀速率，對單雙層LDHs的納米片的形成起到了較好的促進作用，防止了納米薄片的密堆積，使之具有很好的單雙層的納米薄片組裝結(jié)構(gòu)。
[0021](2)由于本發(fā)明采用了化學溶液法反應(yīng)，原料便宜，操作簡單、成本低、效率高，易于進一步的工業(yè)生產(chǎn)。制備的層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs為單雙層的納米薄片組裝的多級微球結(jié)構(gòu)。其納米片厚度為小于2納米，且可以在大范圍內(nèi)自組裝形成多級微球結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例1所得的單雙層納米薄片組裝的層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球的物相組成X —射線衍射圖譜。
[0023]圖2為實施例1所得的單雙層納米片組裝的層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球的掃描電鏡照片。
[0024]圖3為實施例1所得單雙層納米片組裝的層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球的透射電鏡照片，其中(a)為低倍透射電鏡圖片，(b)為高分辨透射電鏡圖片。
[0025]圖4為實施例2所得層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs納米片的低倍掃描電鏡圖。
[0026]圖5為實施例2所得層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs納米片的高倍掃描電鏡圖。
[0027]圖6為實施例3所得層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs納米片的低倍掃描電鏡圖。
[0028]圖7為實施例3所得層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs納米片的高倍掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0030]實施例1
[0031]①在一個10ml的燒瓶中，將0.8mmol的硝酸招、2.4mmol的硝酸鈷、6.4mmol的尿素加入到40ml的水中，強烈攪拌1min后加入15mg梓檬酸三鈉和40ml正丁醇，加入的同時繼續(xù)強烈磁力攪拌，制備成單雙層納米片組裝的層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球的反應(yīng)液。
[0032]②將按照步驟①制備的反應(yīng)液移入帶有10ml聚四氟乙烯內(nèi)膽的高壓反應(yīng)釜中，在120°C反應(yīng)12小時后，反應(yīng)釜自然冷卻到20°C，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干樣品，即可獲得納米薄片組裝的層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球。
[0033]所得到的納米薄片組裝的層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球的X —射線衍射圖如圖1。由圖可見所制備的材料為斜方六面體型的CoAl-LDHs。圖2是所得CoAl-LDHs的掃描電鏡照片。由圖2可見，該層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球大范圍內(nèi)是由超薄納米片自組裝形成多級微球結(jié)構(gòu)，說明該方法可以大規(guī)模的合成層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球。從更大放大倍數(shù)的透射電鏡照片圖3a和b可以看出，所得層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs多級微球的納米片的厚度為小于2納米，說明納米片是只有單層或雙層的。
[0034]實施例2
[0035]①在一個10ml的燒瓶中，將0.4mmol的硝酸招、1.2mmol的硝酸鈷、3.2mmol的尿素加入到40ml的水中，強烈攪拌1min后加入8mg檸檬酸三鈉和40ml正丁醇，加入的同時繼續(xù)強烈磁力攪拌，制備成層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs納米片的反應(yīng)液。
[0036]②將按照步驟①制備的反應(yīng)液移入帶有10ml聚四氟乙烯內(nèi)膽的高壓反應(yīng)釜中，在120°C反應(yīng)12小時后，反應(yīng)釜自然冷卻到20°C，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干樣品，即可獲得層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs納米片。
[0037]圖4是所得到的層狀雙金屬氫氧化物CoAl-LDHs納米片的低倍掃描電鏡照片。圖5是所得到的層狀雙金