[发明专利]一种尖晶石结构钴氧化物、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种尖晶石结构钴氧化物、其制备方法及应用。所述尖晶石结构钴氧化物的化学式为Co_2.88O₄，其中钴元素的化合价为变价，包括Co²⁺、Co³⁺、Co⁴⁺三种价态共存。所述制备方法包括：使包含可溶性钴盐、尿素和水的均匀混合反应体系进行低压水热反应；将所述水热反应的反应产物于400～1100℃焙烧1～10h，获得尖晶石结构钴氧化物。本发明以可溶性钴盐和尿素为原料，通过低压水热均匀沉淀反应，不需要单独进行再氧化反应，只需要直接通过焙烧即可制得新型钴氧化物‑‑纳米级Co_2.88O₄，简便有效、且低成本，用作电池负极材料，进行循环性能测试，其容量和循环性能远远高于Co₃O₄。

技术领域

本发明涉及一种新的氧化钴和纳米氧化钴的制备和生产技术，具体涉及一种表面包覆碳层的新型氧化钴和纳米氧化钴Co_2.88O₄的低成本制备方法及其应用。

背景技术

钴的氧化态包括+1、+2、+3、+4价。在简单化合物中的+3价钴离子是强氧化剂，容易被还原，以+2价最稳定，溶液里很难存在游离态的三价钴离子。钴氧化物是一种重要的过渡金属氧化物，通常作为生产硬质合金、超耐热合金、绝缘材料和磁性材料的主要原料和化学工业中的催化剂和染料。钴的氧化物有三种：氧化亚钴(CoO)，四氧化三钴(Co₃O₄)和三氧化二钴(Co₂O₃)。

氧化亚钴(CoO)是一种钴的低价态氧化物，分子量为74.93，密度为6.45g·cm³，熔点为1935℃。CoO晶体为面心立方，属桃红色立方晶系粉末，呈立方体或六方晶体结晶，晶格常数α＝4.24×10^-10m。依产品颗粒的大小，颜色由橄榄绿到红色。灰绿色的CoO粉体不稳定，在空气中易变成褐色，而粉红色的CoO粉体在空气中比较稳定，即使被长时间放置也不会氧化生成高价态氧化物。氧化亚钴在室温下能吸氧，能溶于酸和碱中，不溶于水、醇和氨水；加热条件下易被氢气、碳或一氧化碳还原成金属钴；高温时能与氧化锌、二氧化硅或氧化铝反应生成多种颜料。

三氧化二钴(Co₂O₃)又称氧化钴，是钴的高价态氧化物，分子量为165.86，密度为6.11g·cm³，熔点为895℃。它是一种深棕色或灰黑色无定型粉末，加热时生成Co₃O₄。Co₂O₃是一种不稳定的，并且不会呈现游离态的化合物，通常所指的氧化钴中实际上是含有一定数量的Co₃O₄。Co₂O₃只有在水化状态时才能稳定，而这种水化物会在265℃下脱水，转变成中间氧化物Co₃O₄。Co₂O₃在125℃温度下可被氢气还原成Co₃O₄，200℃时被还原为CoO，250℃时被氢气、一氧化碳还原为金属钴。氧化钴不溶于水和醇，溶于浓酸和氨水。

四氧化三钴(Co₃O₄)为黑色或灰色粉末，分子量为240.82，密度为6.05g·cm³，熔点为895℃。暴露于空气中时易吸收水分，但不会生成水合物，不溶于水，可溶于酸；强热下可分解成氧化钴和氧气；在高温下，可用氢气、金属钠、碳、一氧化碳等还原成金属粉。Co₃O₄具有正常的尖晶石结构，如图4a和图4b所示，Co³⁺占据八面体位，Co²⁺占据四面体位，具有较高的晶体场稳定化能。Co₃O₄在低于80℃的空气中很稳定，是一种优良的催化材料。