第22卷第8期 2010年8月 化学研究与应用 Chemical Research and Application Vo1.22,No.8 Aug.,2010 文章编号:1004-1656(2010)08-0985-04 碱式碳酸钴的水热合成及其结构表征 谢莉婧,金小青,付国瑞,张子瑜,杨玉英,胡中爱 (西北师范大学化学化工学院省部共建生态环境相关高分子材料教育部重点实验室 兰州730070) 甘肃省高分子材料重点实验室,甘肃摘要:采用水热法合成了不同形貌的碱式碳酸钴。在反应体系中,钴为钴源,尿素为沉淀剂,十二烷基硫 酸钠(SDS)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为结构导向剂。通过调整结构导向剂的种类、比例以及反应温度。经水 热处理可实现对碱式碳酸钴的形貌和尺寸大小的控制。用红外光谱(FT・IR)对所制样品的组分进行分析, 用x射线衍射(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征产物的结构和形貌。结果表明:四种样品都 各自呈现一种独特而有趣的形貌。 关键词:碱式碳酸钴;十二烷基硫酸钠;聚乙烯吡咯烷酮;水热法 中图分类号:O611.35 文献标识码:A Shape—controlled synthesis and structural characterization of cobalt basic carbonate by hydrothermal method XIE Li-jing,JIN Xiao—qing,FU Guo一1ll,ZHANG Zi—yu,YANG Yu—ying,HU Zhong—ai‘ (The Key Laboratory of Polymer Materials of Education Ministry,No ̄hwest Normal University,Lanzhou 730070,China) Abstract:The cobalt hydroxide carbonate with diferent morphology has been synthesized through hydrothermal method using Co (NO3)2・6H2 O as cobalt source and urea as precipitating agent in the presence of sodium dodecyl sulfates(SDS)or Polyvinylpyrrolidone(PVP).The components of products were analyzed by Fr・IR.The structure and morphology were characterized using X—ray difraction(XRD)and ifeld emission scanning electron microscopy(FESEM),respectively.The results show that every one among the four samplCS displays an interesting and distinctive morphology. Key words:cobalt basic carbonate;sodium dodecyl sulfates;polyvinylpyrrolidone;hydrothermal method Co O 是一种重要的功能性材料,是制备锂离 子电池正极材料钴酸锂的主要原料。纳米Co O 酸盐晶体结构、热稳定性以及表面性质等方面的 研究已取得了长足进展。然而,随着科学技术的 发展以及相关领域特殊需求的增长,人们开始将 注意力转移到对这类材料形貌和结构的控制 具有独特的电子学、磁学和催化性能等,在气体传 感器、催化剂、磁性材料以及超级电容器材料等领 域有着广泛的应用前景。而碱式碳酸钴是制备纳 上 J。例如,Xu等[9 通过改变反应条件合成了形 貌可控的碱式碳酸钴纳米棒;Xing等¨ 采用尿素 作为沉淀剂制备了松球状的碱式碳酸钴,所制产 物的形貌为纳米棒和纳米棒聚集体的混合物。据 米Co,O 功能材料的良好前驱体,由此受到了人们 的广泛关注¨ 。最初,人们只是局限于对碱式碳 酸盐的合成及其热分解行为的研究,并在碱式碳 收稿日期:2009—1 1—17;修回日期:2010-05-16 基金项目:国家自然科学基金(20963009)项目资助;甘肃省自然科学基金(0803RJ2A005)项目资助 联系人简介:胡中爱(1961一),男,博士生导师,教授,主要从事新能源材料的研究.E—mail:zhongai@I'IWrlU.edu.cn 986 化学研究与应用 第22卷 了解,到目前为止还没有有关其它形貌碱式碳酸 钴的研究报道。 为此,本文采用水热的合成方法,以钴为 钴源,尿素为沉淀剂,十二烷基硫酸钠(SDS)或聚 先后加入1g尿素和5 gSDS,持续搅拌30 rain,然 后将混合液转人体积为100 mL内衬聚四氟乙烯 的不锈钢高压反应釜内,填装度为75%,密封后将 其加热至90oC保温24 h,然后,自然冷却至室温。 将反应釜内的紫红色沉淀离心分离,再依次用去 离子水和无水乙醇各洗涤3次,于6Oo(=干燥6 h 得碱式碳酸钴。样品B、C、D制备步骤如样品A, 不同之处是这三种样品所加结构导向剂均为 PVP,所加PVP的量分别是2 g、5 g、5 g;反应温度 分别是90℃、90'12、120qC。 1.3样品的表征 乙烯吡咯烷酮(PvP)为结构导向剂,并适当调整 结构导向剂比例及反应温度,实现了对碱式碳酸 钴形貌的控制。从而成功制备出了花状、扇状(板 束状)以及立方形等不同形貌的碱式碳酸钴,并对 它们的结构进行了表征。 1 实验部分 1.1试剂 采用日本JSM-6701 F型场发射扫描电镜观察 样品的形貌及尺寸大小;采用日本理学D/max一 2400X射线衍射仪对制得的样品进行晶型结构分 析,衍射条件为:Cu靶,Kct辐射( =0.15418 nm),管压4O kV,管流60 mA,扫描范围为5~ 六水合钴(北京化工厂)、十二烷基硫酸 钠(北京化工厂)、聚乙烯吡咯烷酮(国药集团化学 试剂有限公司)、尿素(上海同试化工有限公司), 以上均为分析纯试剂,实验全部使用二次蒸馏水。 1.2样品的制备 80。;采用Nicolet NEXUS 670红外光谱仪(YI'一IR) 对粉体进行KBr压片后测定红外光谱,光谱范围 4000~400 cm一。 本实验制备了不同形貌的碱式碳酸钴四种样 品A、B、C、D。样品A所用的结构导向剂为十二 烷基硫酸钠(SDS);样品B、C、D所用的结构导向 剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。样品A的具备 2结果与讨论 2.1 SEM分析 步骤如下:将0.005 tool Co(NO3)2・6H20溶于水 和无水乙醇等体积混合的溶液中,在磁力搅拌下 图1 四种样品的SEM照片,样品A(a、b)、B(c、d)、C(e、f)和D(g、h) Fig.1 FESEM image of the four samples A(a、b),B(e xd),C(e xf)and D(g、h). 图1为样品A(Fig.1a和b)、B(Fig.1 c和d)、 C(Fig.1e和f)、D(Fig.1g和h)不同放大倍率下的 SEM图片。从样品A(Fig.1a)和样品B(Fig.1 c) 低倍率的SEM图片中可以看出,A、B两样品都显 样品A呈大小均匀的规则花状形貌,以PVP作为 结构导向剂的样品B呈纳米线自组装成的花束状 形貌。从样品A(Fig.1b)和样品B(Fig.1d)高倍 率SEM图片中观察到,样品A的基元形貌为长短 示了纳米线的聚集体。以SDS作为结构导向剂的 粗细均匀的纳米线,线表面粗糙,存在结构缺陷; 第8期 谢莉婧等:碱式碳酸钴的水热合成及其结构表征 2.2 XRD分析 987 而样品B的基元相貌为长短粗细均匀,且表面光 滑具有一定刚性的纳米线,结晶完整。这说明不 图2为四种样品A、B、C和D的XRD图谱 (Fig.2曲线a、b、c和d)。由图2可知,样品A、B 的所有衍射峰位置均与六方晶相碱式碳酸钴的标 准衍射图谱相对应;样品C、D的所有衍射峰位置 均与单斜晶相碱式碳酸钴的标准衍射图谱相对 应,相应的结果表明样品A、B和样品C、D分别以 Co(OH)o.“(CO3)n 78・0.29H2O和Co2(OH)2CO3 同结构导向剂为碱式碳酸钴的生长提供了不同的 力场环境,从而造成形貌差异。图1 e和f是样品 C不同放大倍率下的SEM图片。从图中可以清楚 的观察到,样品的基元形貌是长方形片状,这些片 通过表面相互作用,自组装成扇状或板束状结构。 图片1g和h是样品D在不同视场下的SEM图片, 样品的基元形貌仍然是矩形片,很有趣的是这些 的形式存在¨ 。无明显杂质峰出现,但各衍射峰 纳米片能够通过自组装作用堆砌成棱角分明的立 方体形状。样品C和D,除反应温度不同其它条 件都相同,但它们却呈现出了迥异的形貌。这也 进一步说明,PVP的存在及其含量是影响碱式碳 酸钴基元形貌的关键因素,而反应温度决定这些 纳米片的自组装行为,最终导致不同的碱式碳酸 钴终端形貌。 2廿( ) 图2 四种样品的XRD图,样品A(曲线a)、 B(曲线b)、C(曲线c)和D(曲线d) Fig.2 XRD patterns of the four samples A(curve a), B(CUl-Ve b),C(curve c)and D(CHIVe d). 2.4红外光谱(FTr—IR)分析 图3为四种样品A、B、C和D的红外光谱图 (Fig.3曲线a nb、C和d)。从图中可以看出,样品 A和B的出峰位置一致,样品C和D的出峰位置 一致,这与XRD的分析结果相印证。在3491~ 3500 cm 处的吸收峰对应碱式碳酸钻中0一H键 的伸缩振动。与自由0一H键的伸缩振动相比, 发生明显的红移,这表明在晶体中有吸附水的存 在 。图3曲线C和d中,在3381 cm。处出现的 吸收峰,是由于O.H与碳酸根离子的相互作用造 强度有差异。样品A与样品B的XRD图谱相比 较,样品A的衍射峰明显宽化,峰形不尖锐,表明 样品A较低的晶化程度,这与其SEM图片所展示 的结果一致。而样品C样品D的衍射峰强度依次 增强,表明碱式碳酸钴的晶粒依次增大,结晶趋于 完全。说明改变反应温度并不影响产物的物相, 但能影响产物的形貌、尺寸大小以及结晶度。 图3 四种样品的IR图谱,样品A(曲线a)、 B(曲线b)、C(曲线c)和D(曲线d) Fig.3 The FTIR spectra of the four samples A(curve a), B(Curve b),c(curve c)and D(curve d). 成的;该吸收峰在图3曲线a和b中并未出现,说 明O—H键与碳酸根离子的相互作用,在样品C和 D中强于在样品A和B的情况 J。在图3曲线a 和b中,1630 cm 处的吸收峰对应与水分子的弯 曲振动 , ;1502cm~、830cm~、753cm。。、684 cm。。、 515 cm。(样品A和样品B)处的吸收峰分别归属 于-y(OCO2),8(CO3),6(OCO),P(OCO),P (Co— OH) ,“]。在图3曲线c和d中,1546cm。。、 1401cm。。、1350cm~、836cm~、1066cm一、693cm (样 品C和样品D)处的吸收峰分别对应于v(OCO ), 988 化学研究与应用 第22卷 1,(CO3),C一0,8(CO3), (CO)与P(OCO) ;而 硫酸钠(SDS)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为结构导 向剂,通过水热的方法制备出了花状、扇状(板束 状)以及立方形等不同形貌的碱式碳酸钴。研究 结果显示,样品A和B的基元形貌都是长短粗细 均匀的纳米线,属六方晶相的碱式碳酸钴;样品C 971 cm 和511 cm 处分别对应于6(Co—OH)与P (Co.OH) 】。此外,红外光谱中曲线a在2925 cm。和2857 am 处有吸收峰,这是C.H键的伸缩 振动特征吸收,说明样品A中还残留少许结构导 向剂。从谱图中并没有观察到NO。‘,NH,或 NH。 ,和NCO‘或CN。的特征吸收峰,考虑到红外 和D的基元相貌为规则且厚度均一的片,属单斜 晶相的碱式碳酸钴。碱式碳酸钴的形貌可以通过 分析具有很高的灵敏度,可以推断,碳酸根离子是 改变反应温度、结构导向剂的种类及其比例进行 样品中唯一存在的阴离子。 3 结论 采用钴为钴源,尿素为沉淀剂,十二烷基 参考文献: [1]ISHIKAWA T,MATIJEVIC E.Formation of uniform particles of cobalt compounds and cobalt}[J].Colloid eo6m.Sci,1991,269(2):179・186. 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