[发明专利]一种高纯度球形四氧化三钴的制备方法

说明书

本发明公开了一种高纯度球形四氧化三钴的制备方法，首先通过液相沉淀法将硫酸钴与碳酸氢铵反应生成碳酸钴沉淀，再通过合成具有丰富孔隙结构和吸附性能的介孔空心碳微球，碳酸钴颗粒被介孔空心碳微球吸附到内部和表面，限域和集合碳酸钴颗粒，在进行煅烧的过程中，介孔空心碳微球被热解成CO₂，逸出体系，碳酸钴颗粒热解生成四氧化三钴，由于介孔空心碳微球的限域作用，相当于模板，将四氧化三钴保持球形形貌，且有效避免煅烧过程中四氧化三钴团聚，该方法制备的四氧化三钴具有可控的球形形貌、均一尺寸、高分散性和高纯度的特点，在电池材料领域具有很大的应用价值。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，涉及一种高纯度球形四氧化三钴的制备方法。

背景技术

过渡金属氧化物具有金属氧化物丰富的价态，在许多领域有着重要的应用。其中，四氧化三钴为典型半导体，具有成本低、来源广、稳定性好和催化活性高等优点，广泛应用于超级电容器、锂离子电池、催化剂、气体传感器、压敏陶瓷、磁性材料和颜料等领域。因此，制备形貌新颖和性能优越的材料一直是科学家研究的热点。四氧化三钴粉末的制备方法比较多，包括固相法、气相法、液相法(化学沉淀法、水热法、溶剂热法、溶胶-凝胶法、微乳液法、电沉积法、还原氧化法)、组合法(硬模板法、软模板法、接枝/改性－热分解法)等。

目前，已经实现工业化生产的方法主要为液相均匀沉淀-煅烧法，即在控制温度和pH值等工艺条件下，以碳酸氢铵/氢氧化钠为沉淀剂，生成碱式碳酸钴/氢氧化钴沉淀，经过滤、洗涤和干燥后，在800℃左右高温煅烧，得到四氧化三钴粉末。但是此法在生产过程中，直接沉淀所得到的前驱体碱式碳酸钴形貌复杂，难以控制前驱体晶体的大小和团聚，在高温煅烧阶段，四氧化三钴颗粒还会进一步团聚和增大，造成最终所得四氧化三钴形貌和粒径不可控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高纯度球形四氧化三钴的制备方法，首先通过液相沉淀法将硫酸钴与碳酸氢铵反应生成碳酸钴沉淀，通过合成具有丰富孔隙结构和吸附性能的介孔空心碳微球，碳酸钴颗粒被介孔空心碳微球吸附到内部和表面，限域和集合碳酸钴颗粒，在进行煅烧的过程中，介孔空心碳微球被热解成CO₂，逸出体系，碳酸钴颗粒热解生成四氧化三钴，由于介孔空心碳微球的限域作用，相当于模板，将四氧化三钴保持球形形貌，且有效避免煅烧过程中四氧化三钴团聚，该方法制备的四氧化三钴具有可控的球形形貌、均一尺寸、高分散性和高纯度的特点。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高纯度球形四氧化三钴的制备方法，包括以下步骤：

步骤A1，取空心介孔碳微球加入乙醇溶液于频率40-60kHz下超声2-3小时，使其分散均匀，制得空心介孔碳微球分散液；

步骤A2，向反应釜中加入去离子水和碳酸氢铵溶液作为底液，开启搅拌，升温到50-60℃，加入聚乙烯吡咯烷酮，同时加入硫酸钴溶液和碳酸氢铵溶液发生沉淀反应，控制反应的pH在6.6-6.8之间，反应过程中监测粒度，当碳酸钴粒径达到30-40nm时，停止加热，陈化30-40分钟，控制温度55-65℃，保温10分钟后，制得碳酸钴混合液；

步骤A3，将步骤A1制备的空心介孔碳微球分散液与步骤A2制备的碳酸钴混合液混合并加入反应釜中，控制加热温度为90-105℃，加热时间为8-10小时，待反应结束后，冷却到室温，进行离心、去离子水洗涤2-3次后，将离心后得到的产物A放入45-50℃真空干燥箱中干燥2-3小时，制得产物B；

步骤A4，将步骤A3制备的产物B在通氧条件下进行煅烧，制得球型四氧化三钴。

进一步，步骤A1所述的空心介孔碳微球和乙醇溶液的质量比为1：5，乙醇溶液的体积分数为60-65％。