一种磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法及其产品和应用

1.本发明属于磁性氧化钴纳米球制备技术领域，涉及一种磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法及其产品和应用。


背景技术：

2.纳米级材料的大小、形态和表面结构决定了其是否具有特殊的物理和化学性能，合成形貌和尺寸均一、结构可控的高纯度磁性氧化钴微结构，是研究高性能先进材料的重要发展方向。与块状氧化钴(coo)相比，磁性纳米氧化钴具有比表面积大、尺寸小、磁性易回收等优异的物化性质，这使得它在生物医药、传感器、催化材料和环境治理等领域具有广泛的应用前景，并已成为当前磁性材料领域研究的热点。
3.近年来，纳米磁性氧化钴的制备方法较多，大体可分成三大类：固相法、液相法和电化学法，其中固相法包括室温固相反应法、低温固相配位化学反应法；液相法包括络合沉淀法、快速液相沉淀法、混合溶剂沉淀法等；电化学法包括电解金属直接水解法、辅助电极电沉积法。这些纳米磁性氧化钴的制备方法中有很多已经是相当的成熟，具有很强的代表性，但每一种制备方法都有一定的缺陷，都需要根据具体的研究方向选择不同的制备方法。有学者通过固相法、液相法合成形貌各异的磁性氧化钴粉末，使其具备良好的催化性能。尽管固相法制备磁性氧化钴粉末的工艺简单、产率高，但颗粒比较大，均匀性较差；电化学法制备的磁性氧化钴粉颗粒纯度高、分散性好、对环境污染也小；对实验研究而言，液相法具有反应条件易控制，所得产品纯度高，材料处理方便等优势，成为不同形貌磁性氧化钴合成研究最常用的方法。
4.因此有必要研究一种新的制备磁性氧化钴纳米球的方法。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种磁性氧化钴介孔纳米球；本发明的目的之三在于提供一种磁性氧化钴介孔纳米球在在催化降解、绿色回收循环和处理污染方面的应用。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.1.一种磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
8.(1)在惰性气氛下，向聚烯醇、无水碳酸钠和钴盐中加入预超声的去离子水，搅拌至乳化；
9.(2)继续添加聚烯醇水溶液，油浴或红外加热至70～90℃后反应18～24h；
10.(3)反应结束后取出加入蒸馏水溶解，在130～200℃下反应8～72h，自然冷却至室温；
11.(4)用蒸馏水反复洗涤至洗涤液呈中性，干燥得到黑色粉末状固体即为磁性氧化钴介孔纳米球。
12.优选的，步骤(1)中所述聚烯醇、无水碳酸钠和钴盐中的钴的质量摩尔比为16.0～
20.0:1～2.5:0.8～1.2，g:mol:mol；
13.所述惰性气体为氮气或氩气中的任意一种或两种。
14.优选的，步骤(2)中，所述聚烯醇水溶液的浓度为0.03～0.05mol/l，其中添加的聚烯醇水溶液中的聚乙烯醇与步骤(1)中聚乙烯醇的质量比为5.0～10.0:10.0～20.0，mg:mg。
15.进一步优选的，所述聚烯醇为聚乙烯醇或聚丙烯醇中的任意一种。
16.进一步优选的，所述钴盐为三水合硝酸钴(cono3·
3h2o)、三水合碳酸钴(coco3·
3h2o)、五水合硫酸钴(coso4·
5h2o)或二水合氯化钴(cocl2·
2h2o)中的任意一种或几种。
17.优选的，步骤(3)中，所述反应具体为：将反应物置于聚四氟乙烯内胆中，放入不锈钢高压反应釜中，密封后置于电热恒温干燥烘箱进行加热反应。
18.优选的，步骤(3)中，所述干燥具体为：在50～60℃下干燥6～8h。
19.2.根据上述制备方法制备得到的磁性氧化钴介孔纳米球。
20.优选的，所述磁性氧化钴介孔纳米球的直径为400～800nm，所述磁性氧化钴介孔纳米球中介孔的直径为2～10nm。
21.3.上述磁性氧化钴介孔纳米球在在催化降解藻类、绿色回收循环和吸附污染方面的应用。
22.本发明的有益效果在于：
23.1、本发明公开了一种磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法，该方法首先通过在氩气气氛下将钴盐加入聚烯醇和无水碳酸钠混合溶液中进行油浴反应，然后在180～200℃下的不锈钢高压反应釜中反应36～72h，洗涤干燥即可得到磁性氧化钴介孔纳米球，本发明磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法简单，容易操作，适于工业化的磁性氧化钴介孔纳米球制备。
24.2、本发明还公开了一种磁性氧化钴介孔纳米球，该磁性氧化钴介孔纳米球的直径为400～800nm、具有分布在2～10nm之间的孔径，具有循环光催化性能，在催化降解、绿色回收循环和处理污染等方面具有良好的应用前景。
25.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
26.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
27.图1为不同浓度的硝酸钴参加反应制备的磁性氧化钴介孔纳米球的扫描电镜图，其中a、b、c和d中硝酸钴的浓度分别为0.2mol/l、0.3mol/l、0.4mol/l和0.5mol/l；
28.图2为实施例2中三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度增加到0.3mol/l时制备的磁性氧化钴介孔纳米球的透射电镜图；
29.图3为实施例2中三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度增加到0.3mol/l时制备的磁性氧化钴介孔纳米球的xrd图谱；
30.图4为实施例1和实施例3中制备得到的磁性氧化钴介孔纳米球的孔径分布图，其
中a、b、c和d中参加反应的钴盐分别为三水合硝酸钴、三水合碳酸钴、五水合硫酸钴和二水合氯化钴。
31.图5为实施例3中制备的磁性氧化钴介孔纳米球的vsm分析的磁化回线，其中a、b和c分别代表参加反应的钴盐分别为三水合碳酸钴、五水合硫酸钴和二水合氯化钴；
32.图6为实施例2中三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度为0.3mol/l制备的磁性氧化钴介孔纳米球和市售氧化钴的光催化降解曲线分析对比图。
33.图7为实施例2中不同浓度的硝酸钴制备的磁性氧化钴介孔纳米球光催化降解甲基橙溶液循环使用图。
具体实施方式
34.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.实施例1
36.一种磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法，具体的制备方法包括如下步骤：
37.(1)向50ml三颈瓶中加入20.0mg聚乙烯醇和0.212 0g(2mmol)无水碳酸钠，抽真空、通氩气进行置换，置换三次后使三颈瓶处于惰性气氛(氩气)下，加入3.5ml预超声的去离子水，搅拌溶解，用注射器继续加入三水合硝酸钴0.2416g(1mmol)，搅拌至完全乳化；
38.(2)继续添加聚乙烯醇水溶液(20.0mg，1.5ml)，升温至70℃后反应24h；
39.(3)反应结束后取出置于聚四氟乙烯内胆中，加入8ml蒸馏水溶解，然后将聚四氟乙烯内胆放入不锈钢高压反应釜中，密封后置于电热恒温干燥烘箱中，在200℃下反应48h，自然冷却至室温；
40.(4)取出聚四氟乙烯内胆，将反应后的产物抽滤后用蒸馏水反复洗涤至洗涤液呈中性，在60℃下干燥8h得到黑色粉末状固体即为磁性氧化钴介孔纳米球。
41.实施例2
42.按照实施例1中的方法制备磁性氧化钴介孔纳米球，将反应过程中实施例1中添加的三水合硝酸钴由1mmol分别变成1.5mmol、2.0mmol、2.5mmol、3.0mmol、3.5mmol，使参加反应的硝酸钴的浓度从实施例1中的0.2mol/l依次变成0.3mmol、0.4mmol、0.5mmol、0.6mmol、0.7mmol，其余反应条件与实施例1中相同，得到不同浓度的钴离子(co
2+
)参加反应制备的磁性氧化钴介孔纳米球。
43.实施例3
44.按照实施例1中的方法制备磁性氧化钴介孔纳米球，将实施例1中添加的1.0mmol的三水合硝酸钴(coco3·
3h2o)分别变成1.0mmol的三水合碳酸钴(coco3·
3h2o)、1.0mmol的五水合硫酸钴(coso4·
5h2o)和1.0mmol的二水合氯化钴(cocl2·
2h2o)，其余反应条件与实施例1中相同，得到不同钴盐参加反应制备的磁性氧化钴介孔纳米球。
45.实施例4
46.按照实施例1中的方法制备磁性氧化钴介孔纳米球，将实施例1中升温至70℃后反应24h分别变成80℃下反应24h、80℃下反应20h和90℃下反应18h，其余反应条件与实施例1中相同，得到不同条件下反应制备的磁性氧化钴介孔纳米球。
47.实施例5
48.按照实施例1中的方法制备磁性氧化钴介孔纳米球，将实施例1中200℃下反应48h分别变成130℃下反应72h、150℃下反应56h、180℃下反应36h和200℃下反应8h，其余反应条件与实施例1中相同，得到不同条件下反应制备的磁性氧化钴介孔纳米球。
49.性能测试
50.对实施例中制备的磁性氧化钴介孔纳米球进行相应的性能测试，其结果如下所示：
51.图1为0.2mol/l、0.3mol/l、0.4mol/l、0.5mol/l浓度的硝酸钴参加反应制备的磁性氧化钴介孔纳米球的扫描电镜图，其中a、b、c和d中硝酸钴的浓度分别为0.2mol/l、0.3mol/l、0.4mol/l、0.5mol/l。从图1可以看出，随着参加反应的三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度不同，制备的磁性氧化钴介孔纳米球形貌也发生了较大的改变：当三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度为0.2mol l-1
时，整个球体呈坍塌状态；当三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度增加到0.3mol l-1
时球体呈现均一状态(其中磁性氧化钴介孔纳米球的粒径d＝390
±
38nm)；当三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度增加到2mol l-1
时球体呈现均一状态(其中磁性氧化钴介孔纳米球的粒径d＝425
±
49nm)；当三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度增加到0.3mol l-1
时球体表面有毛刷状晶体出现，内部又一次坍缩。由此说明，在本发明制备磁性氧化钴介孔纳米球的制备过程中，钴盐中钴离子(co
2+
)参加反应的浓度为0.1～0.4mol/l时能够得到呈现均一状态的球体，其中制备的磁性氧化钴介孔纳米球的粒径d为350～474nm。
52.图2为实施例2中三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度增加到0.3mol/l时制备的磁性氧化钴介孔纳米球的透射电镜图。
53.图3为实施例2中三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度增加到0.3mol/l时制备的磁性氧化钴介孔纳米球的xrd图谱。从图3可以看出，本发明三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度增加到0.3mol l-1
时制备的磁性氧化钴介孔纳米球的xrd图与氧化钴标准卡片一致。
54.图4为实施例1和实施例3中制备得到的磁性氧化钴介孔纳米球的孔径分布图，其中a、b、c和d中参加反应的钴盐分别为三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)、三水合碳酸钴(coco3·
3h2o)、五水合硫酸钴(coso4·
5h2o)和二水合氯化钴(cocl2·
2h2o)。从图4可知，本发明的制备方法中，钴盐以三水合硝酸钴、三水合碳酸钴、五水合硫酸钴或二水合氯化钴的形式参加反应，制备的磁性氧化钴介孔纳米球中介孔的孔径都分布在2～10nm之间。
55.图5为实施例3中制备的磁性氧化钴介孔纳米球的vsm分析的磁化回线，其中a、b和c分别代表参加反应的钴盐分别为三水合碳酸钴、五水合硫酸钴和二水合氯化钴。从图5可以看出，制备磁性氧化钴介孔纳米球的过程中，钴离子(co
2+
)以三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)、三水合碳酸钴(coco3·
3h2o)、五水合硫酸钴(coso4·
5h2o)或二水合氯化钴(cocl2·
2h2o)的形式参加反应，制备的磁性氧化钴介孔纳米球的饱和磁化率分别为55.58emu/g、39.21emu/g、46.44emu/g，其饱和磁化强度值均足够高能满足磁分离，所有的样品均表现出了超顺磁性，这非常有利于催化剂的快速分散和磁分离。
56.图6为实施例2中三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度为0.3mol/l制备的磁性氧化钴介孔纳米球和市售氧化钴的光催化0.1mol/l甲基橙溶液，降解曲线分析对比图。从图6可以看出，在波长为200～800nm的紫外-可见光照射下，市售氧化钴最高光催化降解率只有55.8％，而本发明实施例2中三水合硝酸钴(co(no3)2·
3h2o)的浓度为0.3mol/l制备的磁性氧化钴介孔纳米球的最高光催化降解率高达98.3％以上，远远高出市售氧化钴的最高光催化降解率。主要是由于：本发明制备的磁性氧化钴介孔纳米球的表面凹凸不平，内部存在不同程度的孔洞，部分球体表面还有明显凸起的纳米级单晶体，致使介孔磁性氧化钴纳米微球具有较大的比表面积，表面产生更多的光催化反应位点，给光催化反应提供了更多的机会，进而提高光催化效率。同样的，对实施例3和实施例4中制备的磁性氧化钴介孔纳米球进行分上述的性能测试，其结果与实施例1～3中制备的磁性氧化钴介孔纳米球相似，说明本发明可以在升温至70～90℃后反应18～24h和130～200℃下反应8～72h的条件下反应制备得到直径为400～800nm、具有直径为2～10nm的介孔的磁性氧化钴介孔纳米球。
57.对上述制备磁性氧化钴介孔纳米球的过程进行分析，可以看出，磁性氧化钴纳米球通过定向附着生长形成球状或柱状纳米碎片，纳米碎片以自组装的方式逐步形成纳米球；温度升高有利于增大磁性氧化钴的成核速率；并以甲基橙为模拟污染物，对产物的光催化性能进行了研究，介孔磁性氧化钴纳米微球的最高光催化降解率均远大于市售氧化钴的最高光催化降解率，磁性氧化钴的光催化降解率与纳米球的比表面积、形态以及总孔体积有关
58.图7为a)0.2mol/l、b)0.3mol/l、c)0.4mol/l、d)0.5mol/l浓度的硝酸钴参加反应制备的磁性氧化钴介孔纳米球光催化降解0.1mol/l甲基橙溶液，循环使用图，可以看出连续吸附5次后，四种纳米球催化效率皆有所降低(仍能保持在90％以上)，b，c保持较好，应该与其完整的形貌和均匀的孔结构相关。
59.综上所述，本发明公开了一种磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法，该方法首先通过在氩气气氛下将钴盐加入聚烯醇和无水碳酸钠混合溶液中进行油浴反应，然后在180～200℃下的不锈钢高压反应釜中反应36～72h，洗涤干燥即可得到磁性氧化钴介孔纳米球，本发明磁性氧化钴介孔纳米球的制备方法简单，容易操作，适于工业化的磁性氧化钴介孔纳米球制备；本发明还公开了一种磁性氧化钴介孔纳米球，该磁性氧化钴介孔纳米球的直径为400～800nm、具有分布在2～10nm之间的孔径，在催化降解藻类、绿色回收循环和吸附污染等面具有良好的应用前景(在紫外-可见光照射下，市售氧化钴最高光催化降解率只有55.8％，而本发明磁性氧化钴介孔纳米球的最高光催化降解率高达98.3％以上，远远高出市售氧化钴的最高光催化降解率)。
60.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。