一種單晶多孔氧化亞鈷納米棒陣列的制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明是關于納米材料的，特別涉及一種單晶多孔CoO納米棒陣列的制備方法。
【背景技術】
[0002]能源就是向自然界提供能量轉化的物質，是人類活動的物質基礎，先進的能源技術不斷推動著人類社會的發(fā)展?；茉词侵赣缮矬w在地層下經過上萬年的演變形成的能源，但化石能源在使用過程中帶來了不可忽視的環(huán)境污染，使地球的生態(tài)平衡岌岌可危。由于電化學系統(tǒng)可以在環(huán)境友好的前提下可持續(xù)的獲得能源，被人們認為可在未來很好的替代化石燃料。其中，燃料電池相對于傳統(tǒng)的電池和電容器而言，能量傳輸密度可高出幾個數(shù)量級，為能源的轉換提供了巨大的應用前景。在燃料電池的運行過程中，高度分散電催化劑起著極為重要的作用，但目前常用多為貴金屬系催化劑，其不僅成本極高、其催化活性也非常容易衰減，從而使電池的性能受到影響。
[0003]為了降低燃料電池生產成本，并提高催化劑的活性，目前大家主要采取以下兩種途徑:
[0004](I)降低催化劑層貴金屬的用量，對一些催化劑材料與貴金屬進行負載。
[0005](2)開發(fā)非貴金屬基催化劑材料，主要有各類新型碳材料(如氮摻雜石墨烯、氮摻雜碳納米管等)、過渡族金屬的化合物(如Co、N1、Mn)等。然而對于過渡金屬納米材料來講，如何得到特殊的結構，來提高材料的活性和穩(wěn)定性仍是大家面臨的巨大挑戰(zhàn)。
[0006]CoO是一種非常重要的半導體材料，是一種潛在的電化學催化劑或制備其他復合催化劑體系的原料。但CoO容易被氧化，合成制備困難，因此人們對其研究和應用較少。文獻“Liang YY and Li TG.JACS.2013，135，2013-2036.” 在NCNT上通過氣相法合成了CoO納米顆粒，文南犬“Mao S,Wen ZH,Huang TZ and Hou Y.Energy&Environmental Science.2014,7,609-616.”在石墨稀上通過溶膠煙霧化-高溫誘導合成了 CoO納米顆粒，但目前尚未有方法通過離子交換合成單晶多孔CoO納米棒陣列，且合成材料活性、穩(wěn)定性不佳，合成基底條件的限制，使其難以應用于實際工業(yè)生產中。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的，是克服現(xiàn)有技術無法通過離子交換合成單晶多孔CoO納米棒陣列、難以應用于實際工業(yè)生產的缺陷。利用氣相陽離子交換法實現(xiàn)由單晶ZnO納米棒陣列模板向單晶多孔CoO納米棒陣列的轉換，穩(wěn)定合成于多數(shù)柔性基底、導電基底，如碳纖維、碳布、金屬箔襯底、Si片、FTO等，提供一種不同類型基底上普適的單晶多孔CoO納米棒陣列的制備方法。
[0008]該方法步驟如下:
[0009](I)將生長基底通過拉膜法或磁控濺射法制備Zn種子層，隨后將生長基底置于馬弗爐中，于400?500°C退火0.15?Ih;
[0010](2)稱取1.4019g六甲基四胺與Ζη(Ν03)2.6H20，加入80?400mL去離子水，攪拌至澄清，配制為0.1?0.5M的ZnO水熱生長液；
[0011](3)將步驟(I)退火后生長基底的生長面朝下傾斜置于反應釜中，加入步驟(2)的ZnO水熱生長液，再將反應釜放入鋼瓶中進行密封，將鋼瓶放入100°C恒溫干燥箱中，反應I?9h，生長基底上制得ZnO納米棒陣列；
[0012](4)取出步驟(3)制備好ZnO納米棒陣列的生長基底，置于馬弗爐中，于500°C退火lh；
[0013](5)再將退火后的生長基底置于管式爐中央，將CoCl2粉作為Co的蒸發(fā)源放置于距生長基底逆氣流方向I?5cm處，將反應爐抽真空至0.1?0.5Torr ；
[0014](6)向管式爐通入載氣，控制載氣流量為30?200sccm，將管式爐升溫至400?700°〇后，保持0.1?lh，制得單晶多孔CoO納米棒陣列。
[0015]步驟(I)所述的生長基底為碳纖維柔性基底或碳布柔性基底、金屬基底、Si片基底、泡沫Ni基底、FTO基底或ITO基底。
[0016]步驟(I)所述的生長基底為Ti或Zn活潑金屬基底時，需將生長基底置于管式爐中央，抽真空至0.2Torr以3?5°C/min的速率升溫至400°C后，真空退火15min。
[0017]步驟(I)所述的采用拉膜法制備Zn種子層的方法為:取140mL乙二醇獨甲醚于燒杯中，并逐滴加入單乙醇胺與乙酸鋅，室溫下攪拌至溶液澄清配成0.1?0.3M的Zn拉膜液。將生長基底通過拉膜法制備Zn種子層，每拉膜一層后將其放置于100°C烘箱中烘干lOmin，反復拉膜烘干操作三次。
[0018]步驟(I)所述的采用磁控濺射法制備Zn種子層，濺射參數(shù)為20?25mA下300?800s ο
[0019]步驟(6)所述的載氣為N2，Ar，He氣中的一種或幾種。
[0020]本發(fā)明的有益效果如下:
[0021]⑴本發(fā)明提供了一種工藝穩(wěn)定、普適性好的制備單晶多孔CoO納米棒陣列的方法；
[0022]⑵本發(fā)明工藝適用于柔性基底、導電基底及其他各類實用性基底，使其工業(yè)上實際應用成為可能。
[0023]⑶本發(fā)明采用氣相陽離子交換法實現(xiàn)由單晶模板向單晶CoO納米棒陣列的轉換，得到CoO納米棒表面粗糙多孔，有利于氣體的吸附；
[0024](4)本發(fā)明制備的單晶多孔CoO納米棒陣列在燃料電池、催化等領域具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明制備方法示意圖；
[0026]圖2是實施例1制備的單晶多孔CoO納米棒陣列的掃描電鏡圖片；
[0027]圖3是實施例2制備的單晶多孔CoO納米棒陣列的掃描電鏡圖片。
[0028]圖4是實施例3制備的單晶多孔CoO納米棒陣列的掃描電鏡圖片；
[0029]圖5是實施例5制備的單晶多孔CoO納米棒陣列的掃描電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明利用管式爐加熱蒸發(fā)Co源，Co原子被載氣輸送到下游生長有ZnO的基片處，發(fā)生陽離子交換反應，單晶ZnO納米棒陣列模板被交換為單晶CoO納米棒陣列。得到的CoO納米棒表面粗糙多孔，有利于氣體的吸附。本發(fā)明適用于多數(shù)柔性基底、導電基底，如碳纖維、碳布、金屬襯底、Si片、FTO等，使其在工業(yè)上實際應用成為可能。
[0031 ]下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明:
[0032]實施例1
[0033]將C纖維基底通過磁控濺射法制備一層Zn種子層，濺射參數(shù)為25mA 400s，隨后將生長基底置于馬弗爐中400°C退火15min。用天平稱取1.4019g六甲基四胺與2.9749g Zn(NO3)2.6H2O，加入400mL去離子水，攪拌至澄清，配制為0.25M的ZnO水熱生長液。將生長基底生長面朝下傾斜置于反應釜，加入生長液，將反應釜放入鋼瓶中，加墊片擰緊密封。將反應釜放入100°C恒溫干燥箱中，反應lh。取出制備好ZnO納米棒陣列的C纖維基底，置于馬弗爐中500°C退火lh。再將C纖維基底放置于管式爐中央，將0.2mg CoCl2放置于距基底位置上游2cm處，如圖1所示，將反應爐抽真空至0.2Torr。向管式爐通入仏氣，控制載氣流量為50SCCm，將管式爐升溫至625°C后，保持0.5h，制得單晶多孔CoO納米棒陣列。
[0034]圖2為實施例1的掃描電鏡圖片，表明在C纖維基底上成功合成出了單晶多孔的CoO納米棒結構，產物的納米棒分散均勻，納米棒長度在10nm左右，通過圖右上方的插入圖可知該產物的納米棒直徑在50nm左右。
[0035]實施例2
[0036]將C纖維基底通過磁控濺射法制備一層Zn種子層，濺射參數(shù)為25mA 400s，隨后將生長基底置于馬弗爐中400°C退火15min。用天平稱取1.4019g六甲基四胺與2.9749g Zn(NO3)2.6H2O，加入4