本發(fā)明涉及一種碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備方法，屬于納米材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、金屬納米材料在工業(yè)中有廣泛用途，可以作為催化劑實現(xiàn)有機(jī)物的合成、催化產(chǎn)氫、產(chǎn)氧、還原等。但是由于這類納米材料顆粒小，在酸、堿性環(huán)境中易腐蝕，因此在實際使用中需要負(fù)載在載體上。碳材料具有機(jī)械強(qiáng)度好，穩(wěn)定性高，與金屬材料直接強(qiáng)界面相互作用，是負(fù)載金屬納米粒子的理想載體。在金屬納米顆粒表面涂覆碳?xì)げ粌H可以提高納米顆粒的導(dǎo)電性，還可以避免其在堿性環(huán)境中的腐蝕過程，從而獲得良好的耐久性。

2、目前，碳包裹金屬納米粒子的方法主要有兩步法和一步法合成。在兩步法中，在預(yù)合成的納米粒子表面進(jìn)行包覆分子或聚合物、經(jīng)碳化(在惰性氣氛中熱處理)形成。在一步法中，碳源(通常是含碳分子)與納米顆粒的前驅(qū)體同時使用，通過一步熱解得到碳?xì)し庋b納米顆粒。一步法具有簡單和能夠控制碳層厚度的優(yōu)點。很明顯，兩種方法各有利弊。兩步法制備碳包裹/負(fù)載金屬納米粒子程序復(fù)雜，而一步法中通常使用昂貴的前體合成金屬配合物，并在惰性或者還原氣氛中熱處理，會造成經(jīng)濟(jì)上的限制。目前該方法得到的金屬納米粒子多為多晶體，未見單晶金屬納米粒子的報道。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備方法，通過簡單的梯度高溫?zé)峤膺€原技術(shù)，無需任何添加劑及多余工藝，無需昂貴的前驅(qū)體，即可實現(xiàn)碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備。

2、本發(fā)明制備的碳包覆單晶鈷納米顆粒中鈷金屬單質(zhì)為單晶材料，鈷和碳層均是原位生成，兩者之間具有較強(qiáng)的界面接觸。單晶鈷金屬納米顆粒均勻分散在碳層表面并被碳層包裹，二者的相對含量可以通過改變鈷鹽與檸檬酸的比例進(jìn)行控制。

3、一種碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備方法采用的是梯度高溫?zé)峤膺€原技術(shù)，包含以下步驟：

4、將一定量的無機(jī)鈷鹽與檸檬酸按照比例球磨混合均勻，然后將得到的混合物在真空氣氛中進(jìn)行梯度高溫?zé)峤膺€原反應(yīng)，得到碳包覆單晶鈷納米顆粒。

5、優(yōu)選地，所述無機(jī)鈷鹽主要是硝酸鈷及氯化鈷中的任意一種。

6、優(yōu)選地，無機(jī)鈷鹽與檸檬酸的質(zhì)量比為2:1~1:4。

7、優(yōu)選地，所述球磨混合的條件是：球料質(zhì)量比為10～300∶1；球磨轉(zhuǎn)速為200～800rpm；球磨時間為1～2h。

8、優(yōu)選地，熱解還原反應(yīng)條件為：升溫速率為1~5°/min，低溫?zé)岱纸鉁囟葹?00℃~450℃，反應(yīng)時間為1~2h，高溫?zé)徇€原反應(yīng)溫度為450℃~700℃，反應(yīng)時間為1~4h.

9、本發(fā)明制備的碳包覆單晶鈷納米顆粒，與現(xiàn)有的技術(shù)相比有益效果是：

10、鈷納米顆粒是單晶，通過檸檬酸熱解產(chǎn)生的碳原位熱還原產(chǎn)生，梯度溫度熱解還原保證單晶鈷的形成，得到的碳包覆單晶鈷納米顆粒具有緊密接觸的界面結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸細(xì)小、分布均勻。采用材料自身熱分解產(chǎn)生的碳的還原性，避免了后續(xù)還原氣氛的需求，工藝流程簡單、成本低、設(shè)備要求低、易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本發(fā)明得到的納米顆?；钚晕稽c多、界面接觸強(qiáng)，用于催化領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢。

技術(shù)特征：

1.碳包覆單晶鈷納米顆粒的合成方法，其特征在于，主要包括以下步驟：將一定量的無機(jī)鈷鹽與檸檬酸按照比例球磨混合均勻，然后將得到混合物在真空氣氛中進(jìn)行梯度高溫?zé)峤膺€原，得到碳包覆單晶鈷納米顆粒。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述無機(jī)鈷鹽主要是硝酸鈷或者氯化鈷中的任意一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備方法，其特征在于，無機(jī)鈷鹽與檸檬酸的質(zhì)量比為2:1~1:4。

4.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述球磨混合的條件是：球料質(zhì)量比為100～300∶1；球磨轉(zhuǎn)速為200～800?rpm；球磨時間為1～2h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備方法，其特征在于，步驟3中升溫速率為1~5°/min，所得混合粉體在首先較低溫度（300℃~450℃）進(jìn)行熱解，保溫時間為1~2h，然后在較高溫度（450℃~700℃）進(jìn)行還原，反應(yīng)時間為1~4h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳包覆單晶鈷納米顆粒的制備方法，其特征在于，步驟5中得到的粉體在去離子水中水洗3次。

7.一種權(quán)利要求1-6所述制備得到的碳包覆單晶鈷納米顆粒在催化還原對硝基苯酚方面的應(yīng)用。

8.一種權(quán)利要求1-6所述制備得到的碳包覆單晶鈷納米顆粒在電催化析氫方面的應(yīng)用；或在電催化析氧方面的應(yīng)用。

9.一種權(quán)利要求1-6所述制備得到的碳包覆單晶鈷納米顆粒在燃料電池方面的應(yīng)用。

10.一種權(quán)利要求1-6所述制備得到的碳包覆單晶鈷納米顆粒在金屬-空氣電池方面的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種碳包覆單晶鈷納米顆粒的合成方法，屬于納米材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明采用梯度高溫?zé)峤膺€原技術(shù)，將無機(jī)鈷鹽及檸檬酸球磨混合，通過調(diào)節(jié)兩者的比例，在特定的溫度下熱處理得到碳包覆單晶鈷納米顆粒。本發(fā)明先在較低溫度下得到鈷的氧化物，然后在較高溫度下進(jìn)行碳熱還原得到單晶鈷顆粒，檸檬酸同時充當(dāng)碳源及還原劑，該工藝簡單、不需要有毒有害試劑，大大減少了對環(huán)境的污染，提高了反應(yīng)的環(huán)境友好性，適用于批量生產(chǎn)。同時，所得的碳包覆單晶鈷納米顆粒具有較好的分散性及較大的比表面積，在催化領(lǐng)域、燃料電池與金屬?空氣電池方面有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：喬秀清,孫博婧,侯東芳,李東升
受保護(hù)的技術(shù)使用者：三峽大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21