题目：钴基氧化物纳米材料的制备、表征及性能研究

纳米尺度的钴基氧化物材料由于其有限尺寸效应、量子尺寸效应、小尺寸效应等纳米尺度性质，具有许多优良的物理、化学性质，在催化剂材料、锂离子电池材料、传感器材料、磁性材料方面都有着重要的应用。过去的几年里，人们合成出了各种不同形貌的钴基氧化物纳米材料，例如, 零维的纳米颗粒、一维的纳米棒、二维的纳米墙、三维的纳米立方体等等。通过研究发现高比表面积材料具有更好的物理化学性质，在催化方面也具有更高的活性。其中一种增大表面积的方法就是制备一种表面形貌复杂的空心结构。本课题就是希望寻找一种温和无污染的方法制备出高比表面、催化性能优异的钴基氧化物材料。本文主要对钴基氧化物纳米材料的制备方法进行探索，尝试在相对清洁环保的水相溶液中，运用温和、无模板的湿化学方法合成不同形貌的钴基氧化物纳米材料；在此基础上对钴基氧化物材料进行表征与分析，从动力学过程分析其结构的生长机理；并对所制备的钴基氧化物材料的磁性性质进行测试研究，对比不同材料的催化性能。主要研究内容分为以下几个部分：1. 采用温和的湿化学合成方法，在不用压力容器和模板的情况下，以Co(NO3)2为钴前驱体，NH3•H2O为沉淀剂，O2为氧化剂，在较高浓度下（0.5 M Co(NO3)2），95℃条件下成功制备出表面修饰纳米管的Co3O4六角空心微米盒子。六角盒子的平均边长大约为4 μm，厚度大约为2 μm，表面修饰的纳米管外径为250 nm，内径为150 nm，长度为几微米。磁性测量显示，表面修饰生长方向一致的纳米管的Co3O4空心微米盒子材料的有效磁矩为4.4 μB，尼尔温度为TN=22K，与体相材料相比低了许多，这是由于纳米材料的有效尺寸效应决定的。在甲醇氧化电催化性质测试中，终产物表面修饰纳米管的Co3O4空心微米盒子作为催化剂的氧化电流密度最大，并且对甲醇氧化的催化活性较其他两种催化剂活性衰减的慢，显示出了优异的催化性能。形成的Co3O4纳米结构具有空心特质，保证了与有机小分子更大的接触表面积，而Co3O4材料在碱性环境下形成的终产物也阻碍了催化剂的中毒，从而保持了甲醇氧化的电化学反应的高活性。2. 利用一种简单、温和的无模板水热方法，在水溶液中成功合成出形貌均一的Co3O4纳米管。所合成的Co3O4纳米管外径大约为300 nm，内径大约约为150 nm，壁厚约为75 nm。研究表明，氨水在反应中起到了至关重要的作用，当氨水不足时，无法合成中空的纳米管，而是生成了边长为几十纳米的立方块。这说明氨水一方面参与反应，使Co2+变成Co(OH)2沉淀，另一方面控制了材料的形状，生成细长的棒状物。