水浴法合成羟基氧化钴.docx

1、水浴法合成羟基氧化钴 2014届毕业论文水浴法合成羟基氧化钴 院 、 部： 材料与化学工程学院 * * 指导教师： 娄晓明 职称 副教授 专 业： 无机非金属材料工程 班 级： 材本1001 完成时间： 2014年5月 湖南工学院2014届毕业设计（论文）课题任务书学院：材料与化学工程学院 专业：无机非金属材料工程 指导教师娄晓明学生姓名何俊锋课题名称水浴法合成羟基氧化钴内容及任务 本次论文研究的内容如下所示：（1）了解纳米材料；（2）了解纳米羟基氧化物；（3）学习探究实验的分析方法；（4）掌握对各种实验仪器的正确操作方法；（5）通过分析实验检测结果给出正确的结论。 研究的任务如下：（1）查找

2、关于目前纳米材料以及羟基氧化物现状的相关资料。（2）通过专业知识学习和网络工具结合使用，掌握合成羟基氧化钴的各种合成方法。（3）熟练掌握对实验产物进行测试及得出结论的方法。（4）能够独立设计合成羟基氧化钴的实验，并根据设计思路，实验操作，实验结果分析得到不同的试验条件对合成羟基氧化钴的影响。拟达到的要求或技术指标 因为现在已知的合成CoOOH的方法中，大多涉及到了模板剂的使用，并且模板的去除也会增加合成CoOOH所需的时间，或者是反应过程和步骤过于繁琐，所以为了解决这些问题，我们将寻找一种不涉及模板的使用，不存在模板去除问题，污染小、步骤简易，同时，所需条件相对温和、易于放大的合成CoOOH的

3、方法。并在具体试验中采取准确无误的操作方法，竟可能的排出试验结果的操作误差。进度安排起止日期工作内容备注2013年10月26日2013年11月4日2013年12月20日2013年12月21日2014年4月10日2014年4月11日2014年5月20日2014年5月21日2014年5月28日确定论文题目完成开题报告书做相关的实验并完成论文初搞修改初稿，并完成最终定稿进行毕业论文评审主要参考资料1潘铮铮,王荣,周震, 阎杰型氢氧化镍表面包覆CoOOH的研究 (电源技术 2001年03期)2龙长江 于金刚一种氢氧化钴（Co(OH)2）合成新工艺 （ 硅谷 2011年第 18期）3李亚栋液相控制沉淀法

4、制备纳米级Co3O4 微粉(高等学院化学报，1999年4月 NO.4 519-522 ) 教研室意见年 月 日学院主管领导意见年 月 日湖南工学院本科生毕业论文（设计）开题报告设计（论文）题目水浴法合成羟基氧化钴设计（论文）题目来源探究实验设计（论文）题目类型研究类起止时间2013年11月 2014年 5 月一、设计（论文）的研究背景及意义：背景：1980年以来，纳米颗粒被限制在1100nm范围，那时的“纳米”作为一种材料。21世纪以来，纳米材料则由它们作为基本单元构成或在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围构成的材料。因其性质完全不同于一般的材料，纳米材料也就具有其特殊的性质。由氧离子、氢氧

5、根离子与某金属离子构成的化合物叫做羟基氧化物，也是氢氧化物转化为氧化物过程中部分脱水的中间产物。常见的有+3价金属离子形成的化学式为MO（OH）的化合物，如M=Al，Sc，Y，Mn，Fe，Co，Ga和In等等。像这类化合物有多种变体，矿物中一般可以发现。 大量羟基的存在羟基氧化物的表面与外界分子易于结合的独特结构，比表面积也较大，其作为载体能大幅提高负载功能单元的分散性，增加其反应活性位点，本身具有一些优点，如对某些分子优良的催化活性，有优良的亲水性、孔结构等。羟基氧化钴现在作为一种重要的材料被广泛的应用于电化学方面。从20世纪开始，出现了多重合成羟基氧化钴的方法，如2001年有朱迎春，李洪亮

6、，Yuri Koltypin和Aharon Gedanken利用声波降解法制备纳米钴氢氧化物，2003年由F. Barde,M.-R. Palacin,B. Beaudoin,A. Delahaye-Vidal还有 J.-M. Tarascon用两个软化学过程使III-CoOOH在低温条件下合成，2007年竹彦佐佐木和杨金虎利用气泡模板合成CoOOH层级结构空心球，以及1984年的Johnd.Hem,Charlese.Roberson and Carol .J. Lind使用直接低温沉积结晶的方法制得羟基氧化钴等等，这些方法操作大多比较复杂，而且成本较高。因此，寻找合适的反应条件易于操作，适用

7、范围广，就能制备一维纳米材料的新方法尤为重要。 为了寻找一种污染小，步骤简单易于控制，成本较低的合成纳米材料的方法。本文将利用硫酸钴，氢氧化钾为原料，在和双氧水作用下，先通过控制液相沉淀的温度采用液相直接沉淀法制备羟基氧化钴。此方法具有易于控制、生产成本低、产物颗粒形态可控等特点。 意义：因为水热、溶剂热条件下实现的液相沉淀法合成路线不涉及模板的使用，不存在模板去除问题，污染小、步骤简单，同时，这种液相合成所需条件相对温和、易于放大，对于纳米材料的合成而言，极具应用前景。二、设计（论文）主要研究的内容、技术路线、实施方案： 研究的内容：利用可溶性钴盐(CoSO4 )和氢氧化钾为原料，在双氧水作

8、用下，先通过控制液相沉淀的温度采用液相直接沉淀法制备羟基氧化钴。 技术路线：使用可溶性的钴盐(CoSO4 )与氢氧化钠反映生成氢氧化钴，再加入双氧水，通过水浴法合成羟基氧化钴。CoSO4 + 2NaOH =Co（OH）2+ Na2SO4Co（OH）2 +H2O2 CoOOH + O2实施方案：将250 ml的三颈瓶放置在80水浴中,然后向三颈瓶中加入0. 03 mol/ L CoSO47 H2O溶液100 ml在内向三颈瓶中匀速滴加30 %H2 O2 溶液6 ml ,同时体系应处于搅拌状态，反应过程中使用1 mol/ L NaOH溶液控制反应的p H值约为910。反应完毕后，将产物静置，抽滤，

9、用热蒸馏水洗涤至p H值恒定。产物在75下恒温烘干。三、设计（论文）的进度安排：2013年10月26日，确定论文题目。2013年11月4日2013年12月20日完成开题报告书2013年12月21日2014年4月10日做相关的实验并完成论文初搞2014年4月11日2014年5月20日修改初稿，并完成最终定稿2014年5月21日2014年5月28日进行毕业论文评审四、进行设计（论文）所需条件：（一）相关的实验用品如：硫酸钴 氢氧化钠 双氧水 蒸馏水（二）相关的实验仪器如: 恒温热水浴 智能数字恒温控制器 分析天平 烘箱五、指导老师意见：同意开题 签名： 娄晓明 2014年 3 月 29 日湖南工学

10、院毕业设计(论文)工作进度检查表题目水浴法合成羟基氧化钴学生姓名何俊锋班级学号10701540127专业无机非金属材料工程指导教师填写学生开题情况学生调研及查阅文献情况毕业设计（论文）原计划有无调整学生是否按计划执行工作进度学生是否能独立完成工作任务学生的英文翻译情况学生每周接受指导的次数及时间毕业设计（论文）过程检查记录情况学生的工作态度在相应选项划“”认真一般较差尚存在的问题及采取的措施（从教务系统中打印6次指导记录）：指导教师签字： 年 月 日学院意见： 负责人签字：年 月 日湖南工学院2014届毕业设计（论文）指导教师评阅表 学院：材料与化学工程学院 专业： 无机非金属材料工程 学生姓

11、名何俊锋学 号10701540127班 级材本1001专 业无机非金属材料工程指导教师姓名娄晓明课题名称水浴法合成羟基氧化钴评语：（包括以下方面，学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和规范性；检索和利用文献能力、计算机应用能力；学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；）是否同意参加答辩：是 否指导教师评定成绩分值：指导教师签字： 年 月 日湖南工学院毕业设计（论文）评阅评语表题目水浴法合成羟基氧化钴学生姓名何俊锋班级学号10701540127专业无机非金属材料工程评阅教师姓名刘伟辉职称研究员工作单位湖南工学院评分内容具 体 要 求总分评分开题情况调研论证能独立查阅文献资料及从事其他形

12、式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。10外文翻译摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及字数要求。10设计质量论证、分析、设计、计算、结构、建模、实验正确合理。35创新工作中有创新意识，有重大改进或独特见解，有一定实用价值。10撰写质量结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，书写格式规范，符合规定字数要求。15综合能力能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题。20总评分评阅教师评阅意见评阅成绩总评分20%评阅教师签名日期湖工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表题 目水浴法合成羟基氧化钴学生姓名何俊锋学 号10701540227

13、专 业无机非金属材料工程指导教师娄晓明本试验选用硫酸钴（CoSO4）和NaOH为原料，在H2O2作用下，选用液相直接沉淀法合成了CoOOH，此方法不涉及模板的使用，不存在去除模板的问题，对环境的污染小、合成的步骤简易有较少，同时，这类液相合成所需条件相对温和、易于扩大用于声场，对于纳米材料的合成而言，拥有非常好的应用前景。 申请人签名：何俊锋 日期：2014年5月28日资 格 审 查 项 目是否01工作量是否达到所规定要求02文档资料是否齐全（任务书、开题报告、外文资料翻译、定稿论文及其相关附件资料等）03是否完成任务书规定的任务04完成的成果是否达到验收要求05是否剽窃他人成果或者直接照抄他

14、人设计（论文）指导教师签名： 毕业设计（论文）答辩资格审查小组意见：符合答辩资格，同意答辩 不符合答辩资格，不同意答辩审查小组成员签名： 年 月 日注：此表中内容综述由学生填写，资格审查项目由指导教师填写。湖南工学院2014届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表 学院：材料与化学工程学院 专业：无机非金属材料工程学生姓名何俊锋学号10701540127班级材本1001班答辩日期课题名称水浴法合成羟基氧化钴指导教师娄晓明成 绩 评 定分值评 定小计教师1教师2教师3教师4教师5课题介绍思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。30答

15、辩表现思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。必答题40自由提问30合 计100答 辩 评 分分值：答辩小组长签名：答辩成绩a： 20指导教师评分分值：指导教师评定成绩b： 60评阅教师评分分值：评阅教师评定成绩c： 20最终评定成绩： 分数： 等级：答辩委员会主任签名： 年 月 日说明：最终评定成绩a+b+c，三个成绩的百分比由各学院自己确定，但应控制在给定标准的10左右。摘 要 因为纳米材料在电学，光学和力学上的特性，世界上的许多科学家都对其产生了研究的兴趣。第十九个世纪以来，纳米材料的研究是一个飞跃，尤其是羟基氧化物，他是由氧离子（O2-），氢氧根

16、离子（OH-）和某些金属离子组成，以及稀土氢氧化物更是切实地应用到了我们的日常生活当中。由氧离子、氢氧根离子（OH-）与某金属离子组成的化合物叫做羟基氧化物，也是氢氧化物转化为氧化物过程当中部分脱水的中间产物。其中，钴的羟基氧化物现在作为一种重要的纳米材料被广泛的应用于电化学方面。自二十世纪以来,出现了多种合成羟基氧化钴（CoOOH）的方法，无论是在国内还是国外，引起了众多科学家的兴趣。其中所涉及到的问题就在于，大多数方法中涉及到了模板的使用，而去除模板就使得合成的步骤过于复杂，增加了成本。为了寻找一种合成条件相对合适，步骤简易易于操作，低能耗，成本低的方法，探索CoOOH的合成方法就具有重要

17、意义。本论文将会利用可溶性钴盐和NaOH为原料，在H2O2作用下，使用液相沉淀法水浴合成CoOOH。此方法不涉及模板的使用，不存在模板去除问题，污染小、步骤简易，同时，这类液相合成所需条件相对温和、易于放大，对于纳米材料的合成而言，极具应用前景。关键字： 羟基氧化钴; 纳米材料; 水浴法; 液相合成; 沉淀法 AbstractDue to the application of nanometer harmonys in electrical, the application of optical, mechanical applications，many scientists in the w

18、orld have a research interest in the. Since nineteenth Century, research of nano harmony is a leap,in particular,by hydroxyl, oxygen and hydroxyl oxide of metal ions, rare earth oxide and hydrogen is actually used in our daily life.Compounds In the composition of oxygen ion, hydroxyl ions and a meta

19、l ion is also called hydroxyl oxide, hydroxide into intermediate partially dehydrated oxide process. Among them, the cobalt oxyhydroxide now as an important nano harmony has been widely used in electrochemistry. Since 1900, there were many synthetic CoOOH, whether at home or abroad, to attract the i

20、nterests of many scientists. There were a problem lies in most of the methods involved in the use of platen, and platen removal makes the synthetic process is too complex, The increased cost of production. In order to find a suitable synthesis conditions are relatively step is not complicated, easy

21、operation, low energy consumption, low cost method, synthesis of CoOOH is of great significance.This paper will use soluble cobalt salt and sodium hydroxide as raw material, under the effect of H2O2, using liquid phase precipitation water bath CoOOH synthesis , the method does not need to join the t

22、emplate agent, tthe template removal without any problems, small pollution, step is not complicated, and the liquid phase synthesis required relatively mild, easy to enlarge, and for the synthesis of nano harmony, has broad application prospects.Keywords:CoOOH ; Liquid-Phase Synthesis; Water Bath Me

23、thod; Nano harmony; Precipitation1 .前 言 1.1研究背景 自第十九世纪初到第二十一世纪的现代化学，自1869年门捷列夫提出的元素周期表以及1803年，道尔顿使用当时已掌握的一些分析数据，提出的原子论等在原子层次上的了解和研究化学，飞跃到21世纪分子水平的了解和研究，其中有对化学键本质、分子间相互作用的强弱、结构与功能关系的认识等1。作为以纳米尺度结构为对象的纳米化学。当物质尺寸处于纳米量级时，就会产生异于原子、分子、又异于块体材料的特别的磁力学上的，力学上的，电学上的，光学上的以至生物学等科学上的性质2。所谓的“人造原子”就是由形状和尺寸相似的纳米粒子作为

24、结构基元组成的新的功能结构3。由纳米粒子(nano particle)组成的纳米颗粒材料（或称为超微粒材料）。纳米粒子（或称为超微颗粒），通常指尺寸在1100纳米之间的粒子，是处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，如此的系统不是典型的微观系统更不是非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应4。当人们将宏观物体细分成纳米颗粒之后，它将表现出跟原有的具有巨大差异的特性。按照维度不同的约束，纳米材料可分为三种：零维，就如纳米团簇和纳米颗粒这类物质，它们在空间三维尺度内都受到了约束5；一维，就如纳米管、纳米带、纳米线这类材料，在空

25、间之中只有二维在纳米尺度受到了约束6；二维，就如超薄膜、超晶格、多层纳米结构等，在空间之中唯有一维在纳米尺度受到了约束7。因为这些单元具备量子性质，所以对零维也叫做量子点、一维也叫做量子线、二维也叫做量子阱8。如何用化学技术措施在纳米尺度下对物质的尺寸和物质的维度进行调控以及控制其构成，进而实现改变它的物理化学性质，就是纳米化学的问题所在9。羟基氧化物是由氧离子（O2-）、氢氧根离子（OH-）与某金属离子组成的化合物，也是氢氧化物转化为氧化物过程当中部分脱水的中间产物10。大量羟基的存在羟基氧化物的表面与外界分子易于结合的独特结构，比表面积也较大，其作为载体能大幅提高负载功能单元的分散性，增加

26、其反应活性位点，本身具备一些优点，如对某些分子优良的催化活性，有优良的亲水性、孔结构等11。其中，钴的羟基氧化物现在作为一种重要的纳米材料被广泛的应用于电化学方面。为了在目前的条件下寻找合适的反应条件操作简易容易，适用范围广的制备新方法，对其合成方法进行研究尤为重要12-14。本文的研究对象主要为钴的羟基氧化物。单就钴本身的性质，纯的钴是很标准的金属色（银白色），质地较硬，拥有不错的延展性，铁的硬度以及延展性都比钴要差，但是钴的磁性却没有铁好，不过钴是能增加铁的磁性的唯一元素。钴与钐(Sm),镍(Ni)、铝(Al)等共熔能够得到磁性非常好的合金钢。钴的合金在高温下仍能保持其原有的强度和其他有价

27、值的性质。钴属于磁性物质，它拥有所有的金属与合金中最高的居里点，高达1121摄氏度15-16。球形钴粉末钴的氧化物有三种：氧化亚钴(CoO)、四氧化三钴(Co3O4)和氧化钴(Co2O3)17。氧化钴(Co2O3)是钴的高价氧化物，它是一种黑色无定形粉末，加热时会生成四氧化三钴(Co3O4)18。氧化钴(Co2O3)是一种不稳定，也不可能呈游离状态的化合物。通常所指的氧化钴实际上仍含有一定数量的四氧化三钴(Co3O4)13。氧化钴(Co2O3)只有呈水化状态时才稳定，而这类水化物在265下会脱水转变成中间氧化物四氧化三钴(Co3O4)19。氧化钴(Co2O3)在125下可被氢气（H2）还原成四

28、氧化三钴(Co3O4)，在200时被还原为氧化亚钴(CoO)，在250时则被还原为金属钴20。氧化钴氧化亚钴四氧化三钴钴的氢氧化物Co(OH)2玫瑰红色单斜或四方晶系结晶体。溶于酸及铵盐溶液，不溶于水和碱。与一些有机酸反应生成相应的钴肥皂。它在空气中会被氧化为棕色Co(OH)321。Co(OH)2化工生产中用于制造钴盐，含钴催化剂及电解法生产H2O2分解剂22。涂料工业用作油漆催干剂。玻搪工业用作着色剂等。Co(OH)2的合成方法主要有两种：合成法：将金属钴或含钴废料与盐酸反应生成氯化钴，再与NaOH反应， 经沉淀、漂洗干燥而得。电解法：以钴为阳极，电解食盐溶液而得23。 氢氧化钴1.2羟基氧

29、化钴的发展现状就本文研究的对象CoOOH的合成方法而言，如2001年朱迎春，李洪亮，Yuri Koltypin和Aharon Gedanken利用声波降解法制备纳米钴氢氧化物。该方法通过混合去离子水和无水乙醇制备，在常温下，使用醋酸。选用钛角直接浸入式高强度超声辐射（超音速的材料），并向反应溶液中滴加NaOH溶液处理反应溶液，通过离心分离产物24。2007年竹彦佐佐木和杨金虎利用气泡模板合成CoOOH层级结构空心球，使用N-二甲基甲酰胺（DMF），乙腈（MeCN），以及蒸馏水用111的体积比的水在聚四氟乙烯高压釜中制备，然后在搅拌下加入氯化十六烷基三甲基氯化铵（CTAC），产生均匀的粉红色溶液，再加入H2O2），将反应溶液放在烤箱中反应，获得CoOOH25。1984年的Johnd.Hem,Charlese.Roberson and Carol .J. Lind使用直接低温沉积结晶的方法制得CoOOH26。2003年由F.Barde,M.-R. Palacin,B. Beaudoin,A. Delahaye-Vidal还