CN101698234B - 一种金属钴纳米线的化学制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属钴纳米线的化学制备方法，涉及金属钴粉的制备。本发明采用软模板法自组装制备金属钴纳米线的方法，其特点是利用乙二醇和表面活性剂共同形成软模板，以水合肼为还原剂，将钴盐中的钴离子还原为钴原子，并通过软模版的作用使钴晶核定向生长，最终形成线状的形貌。制备出的纳米钴线直径为100～800nm，长度能达到2.0～10.0μm，长径比为12～25，其粉体成分为纯钴。本发明不仅工艺简便，原料成本低廉，而且能够实现经济的宏量制备，为纳米钴线的实际应用提供条件。

Description

一种金属钴纳米线的化学制备方法
技术领域
本发明涉及用化学方法制备一维纳米粉体材料，特别是涉及金属钴粉的制备。
背景技术
纳米钴粉体是一种用途十分广泛的粉体材料。由于其表面活性高，表面纯度高，无微孔渗漏，比表面积大，具有极大的表面效应和体积效应，以及在催化材料、电子材料、磁性材料等方面广泛的应用前景，使其日益受到人们的关注。一维纳米材料表现出许多优异而独特的性质，比如超强的机械强度、更高的发光效率、增强的热电性能等，对其的研究是纳米科技领域中一个十分活跃的领域。将一维纳米材料组装为具有特定几何形貌的聚集体，或将其进行限域生长和实现其特定的取向会给一维纳米材料带来一些崭新的整体协同效应。这对于以一维纳米材料为基础的纳米电子、光学器件的发展有着非常重要的意义。
软模板法是采用表面活性剂中的孔相，即用棒状胶束、微乳液为模板，在其孔道中，表面活性剂能够导向纳米材料的生长，线状胶束使得还原生产的金属晶核进一步生长成线状纳米材料。
据《Science》2001，291：2115～2117报道，采用TOPO和油酸混合剂为表面活性剂，邻二氯苯为溶剂，热分解Co2(CO)8在182℃制备钴纳米棒，其直径为4～25nm。此制备方法的纳米棒较为均匀，尺寸可控性强等优点，但TOPO和Co2(CO)8较为昂贵，限制了其工业化生产。
据《化学学报》2006，64(4)：295～300报道，通过加入NaBH4作为诱导剂，可在室温下引发肼与Co2+在水-乙醇体系中的还原反应，制得高纯度纳米金属钴粉。但是该法制备过程中使用的NaBH4价格昂贵且不易得到。
据《稀有金属材料与工程》2007，36(S2)：760～762报道，采用溶液还原方法，以聚乙烯吡咯烷酮PVP作为表面活性剂，用水合肼作为还原剂，经回流处理，制备分散性能较好的钴纳米颗粒。该方法的优点是反应条件温和，成本较低，重复性强，产率高且易控制。但颗粒尺寸较大，分布不均匀，且只制备出了球形颗粒。
据《Crystal Growth&Design》2008，8(9)：3206～3212报道，采用PVP k30为软模板，在200℃条件下，水合肼还原CoCl2制备钴亚微米粉体。虽然该法制备的钴粉体比较均匀，但钴粉体明显呈球形，并存在反应时间长，形状可控性差，制备的粉体颗粒较大等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用软模板法自组装制备金属钴纳米线的方法，其特点是利用乙二醇和表面活性剂共同形成软模板，以水合肼为还原剂，将钴盐中的钴离子还原为钴原子，并通过软模版的作用使钴晶核定向生长，最终形成线状的形貌，不仅工艺简便，原料成本低廉，而且能够实现经济的宏量制备，为纳米钴线的实际应用提供条件。
本发明的实施过程如下：
1、反应溶液的制备：
以乙二醇为溶剂，按溶液钴盐0.01～0.2mol/L、NaOH 0.04～0.4mol/L、表面活性剂1.0～10.0g/L比例配制；在反应温度50～80℃之间，磁力搅拌20～30分钟。
其中钴盐可以是CoCl2、CoSO4和Co(NO3)2之中的任一种；
表面活性剂可为(聚乙烯吡咯烷酮)PVP k30、PVP k90、PVP k360中的任一种。
2、钴纳米线制备：
将按上述方法制备好的溶液加热至90～150℃，加入水合肼10～50ml/L，反应20～30分钟，直至反应完毕，接着离心分离溶液和钴纳米线，再用无水乙醇洗涤钴纳米线2～3次，干燥收集。
与现有技术相比，本发明工艺过程简单，反应条件温和、制备成本低廉，因此能够实现宏量制备。特别是采用表面活性剂PVP为软模板，使金属钴能形成线状的形貌。采用本发明制备的纳米钴线直径为100～800nm，长度能达到2.0～10.0μm，长径比为12～25，其形貌见图1-图4。制备得到的粉体成分为纯钴，其成分分析结果见图5。
附图说明
图1为实施例1制备的钴纳米线SEM照片
图2为实施例2制备的钴纳米线SEM照片
图3为实施例3制备的钴纳米线SEM照片
图4为实施例4制备的钴纳米线SEM照片
图5为制备的粉体的XRD图谱
具体实施方式
实施例1：
1、反应溶液的制备：
以乙二醇为溶剂按下列比例配制溶液。
CoCl2                0.013mol/L
NaOH                 0.05mol/L
PVP k30              10.0g/L
反应温度             50℃
磁力搅拌时间         20分钟
2、钴纳米线制备：
①将按上述方法制备好的溶液加热至140℃；
②滴加水合肼50ml/L；
③反应20分钟，直至反应完毕；
④离心分离溶液和钴纳米线；
⑤用无水乙醇洗涤钴纳米线3次；
⑥干燥收集。
获得平均长度为5.0μm，平均直径为200nm，长径比为25的纳米钴粉。其形貌如图1所示。
实施例2：
1、反应溶液的制备：
以乙二醇为溶剂按下列比例配制溶液。
CoCl2           0.05mol/L
NaOH            0.05mol/L
PVP k30         10.0g/L
反应温度        50℃
磁力搅拌        20分钟
2、钴纳米粉制备：
①将按上述方法制备好的溶液置于95℃水浴中；
②滴加水合肼20ml/L
③反应30分钟直至反应完毕；
④离心分离溶液和钴纳米线；
⑤用无水乙醇洗涤钴纳米线3次；
⑥干燥收集。
获得平均长度为6μm，平均直径为250nm，长径比为24的纳米钴粉。其形貌如图2所示。
实施例3：
1、反应溶液的制备：
以乙二醇为溶剂按下列比例配制溶液。
CoSO4         0.02mol/L
NaOH          0.04mol/L
PVP k90       10.0g/L
反应温度      60℃
磁力搅拌      30分钟
2、钴纳米粉制备：
①将按上述方法制备好的溶液加热至120℃；
②滴加水合肼30ml/L；
③反应20分钟；
④离心分离溶液和钴纳米线；
⑤用无水乙醇洗涤钴纳米线3次；
⑥干燥收集。
获得平均长度为2.0μm，平均直径为163nm，长径比为13.4的纳米钴粉。其形貌如图3所示。
实施例4：
1、溶液的制备：
以乙二醇为溶剂按下列比例配制溶液。
Co(NO3)2       0.02mol/L
NaOH           0.2mol/L
PVP k360       10.0g/L
反应温度       75℃
磁力搅拌        20分钟
2、反应钴纳米线制备：
①将按上述方法制备好的溶液加热至120℃；
②水合肼50ml/L；
③反应30分钟；
④离心分离溶液和钴纳米线；
⑤分别用去离子水、无水乙醇洗涤钴纳米线3次；
⑥干燥收集。
获得平均长度为10μm，平均直径为800nm，长径比为12.5的纳米钴粉。其形貌如图4所示。

Claims (2)

1.一种金属钴纳米线的化学制备方法，其特征在于，具体步骤为：
1)反应溶液的制备
以乙二醇为溶剂，按溶液钴盐0.01～0.2mol/L、NaOH 0.04～0.4mol/L、表面活性剂1.0～10.0g/L比例配制；在反应温度50～80℃之间，磁力搅拌20～30分钟；
2)钴纳米线制备
将按上述方法制备好的溶液加热至90～150℃，加入水合肼10～50ml/L，反应20～30分钟，直至反应完毕，接着离心分离溶液和钴纳米线，再用无水乙醇洗涤钴纳米线2～3次，干燥收集；
所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP k30、PVP k90、PVP k360中的任一种。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐是CoCl2、CoSO4和Co(NO3)2之中的任一种。
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