CN113772744A - 一种空心壳球四氧化三钴的制备方法 - Google Patents

一种空心壳球四氧化三钴的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，包括以下步骤：步骤一、以氯化钴为原料，配置钴溶液为A溶液；配置碳酸钠溶液为B溶液；步骤二、合成反应开始时，将A、B溶液并流加入反应釜中，并以一定的方式向反应釜中通入CO2气体，在搅拌下进行碳酸钴的合成，合成过程中严格控制A、B溶液流量、CO2流量、反应温度、搅拌强度和反应时间；步骤三、当合成反应结束后，陈化，陈化后将物料过滤、洗涤、干燥，得到空心壳球碳酸钴合成产物；步骤四、将空心壳球碳酸钴颗粒在一定温度条件下煅烧，得到空心壳球四氧化三钴。本发明提供了一种生产过程简单易控的空心壳球四氧化三钴的制备方法。

Description

一种空心壳球四氧化三钴的制备方法
技术领域
本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种空心壳球四氧化三钴的制备方法。
背景技术
结晶完好的Co3O4属于AB2O4尖晶石结构，Co3+占据八面体位，Co2+占据四面体位，其中Co(Ⅱ)离子四面体被氧原子包围和Co(Ⅲ)离子八面体也被氧原子包围，具有较高的晶体场稳定化能。Co3O4骨架是一个有利于离子扩散的四面体与八面体共面的三维网络，氧原子作立方晶体紧密堆积。
Co3O4是一种具有特殊结构和性能的功能材料，在电池行业是制备锂离子电池正极材料钴酸锂的主要原料。此外还可应用于锂离子电池负极材料、超级电容器、硬质合金、压敏陶瓷、无机颜料、催化剂等。
目前，空心Co3O4的合成方法主要有模板法，常用的模板有碳球、SiO2小球、聚苯乙烯小球、金属氧化物粒子等，模板剂的去除非常困难，步骤繁琐。还有一些无模板的方法则需要添加有机表面活性剂、离子液体等，使成本增加。而采用雾化方式在高温700～1000℃反应，反应条件苛刻，不易控制，而且对设备要求较高。因此，亟需设计一种空心壳球四氧化三钴的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，以解决上述背景技术中提出的目前，空心Co3O4的合成方法主要有模板法，常用的模板有碳球、SiO2小球、聚苯乙烯小球、金属氧化物粒子等，模板剂的去除非常困难，步骤繁琐，还有一些无模板的方法则需要添加有机表面活性剂、离子液体等，使成本增加，而采用雾化方式在高温 700～1000℃反应，反应条件苛刻，不易控制，而且对设备要求较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、以氯化钴为原料，配置钴溶液为A溶液；配置碳酸钠溶液为B溶液；
步骤二、合成反应开始时，将A、B溶液并流加入反应釜中，并以一定的方式向反应釜中通入CO2气体，在搅拌下进行碳酸钴的合成。合成过程中严格控制A、B溶液流量、CO2流量、反应温度、搅拌强度和反应时间；
步骤三、当合成反应结束后，开始陈化，陈化结束后，将合成产物过滤、洗涤、干燥，得到空心壳球碳酸钴合成产物；
步骤四、将空心壳球碳酸钴产品在一定温度条件下煅烧，得到空心壳球四氧化三钴产品。
优选的，所述步骤一中钴溶液的钴浓度为50～70g/L，所属碳酸钠溶液的浓度为100～120g/L。
优选的，所述步骤二中的反应釜为30L反应釜，所述向反应釜中通入CO2气体为从反应釜底部通入气体，所述反应过程中A、B溶液流量、CO2流量、反应温度、搅拌强度和反应时间的A溶液流量为8～10mL/min，B溶液流量为12～16mL/min，CO2流量为1～2L/min，反应温度为43～47℃，搅拌强度为240～260转/min，反应时间为16～18h。
优选的，所述步骤三中陈化时间为0.5～1h，洗涤采用的是布氏漏斗洗涤，洗涤物料采用的是80～90℃的去离子水，干燥物料的设备为烘箱，干燥温度为80～90℃。
优选的，所述步骤四中，所述煅烧条件为箱式气氛炉中煅烧，煅烧温度为700℃～720℃，煅烧时间为2～3h。
优选的，所述步骤四中，所述空心壳球四氧化三钴产品的物化指标为激光粒度D50在12～14µm，振实密度1.0～1.2g/cm3，比表面积0.5～1.5m2/g，形貌为空心壳球形。
附图说明
图1是本发明实施例一制备产物的SEM检测结果示意图。
图2是本发明实施例二制备产物的SEM检测结果示意图。
图3是本发明实施例三制备产物的SEM检测结果示意图。
图4是本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图 1-4，本发明提供的实施例：
一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、以氯化钴为原料，配置钴溶液为A溶液；配置碳酸钠溶液为B溶液；
步骤二、合成反应开始时，将A、B溶液并流加入反应釜中，并以一定的方式向反应釜中通入CO2气体，在搅拌下进行碳酸钴的合成。合成过程中严格控制A、B溶液流量、CO2流量、反应温度、搅拌强度和反应时间；
步骤三、当合成反应结束后，开始陈化，陈化结束后，将合成产物过滤、洗涤、干燥，得到空心壳球碳酸钴合成产物；
步骤四、将空心壳球碳酸钴产品在一定温度条件下煅烧，得到空心壳球四氧化三钴产品。
进一步的的，步骤一中钴溶液的钴浓度为50～70g/L，所属碳酸钠溶液的浓度为100～120g/L。
进一步的，步骤二中的反应釜为30L反应釜，所述向反应釜中通入CO2气体为从反应釜底部通入气体，所述反应过程中A、B溶液流量、CO2流量、反应温度、搅拌强度和反应时间的A溶液流量为8～10mL/min，B溶液流量为12～16mL/min，CO2流量为1～2L/min，反应温度为43～47℃，搅拌强度为240～260转/min，反应时间为16～18h。
进一步的，所述步骤三中陈化时间为0.5～1h，洗涤采用的是布氏漏斗洗涤，洗涤物料采用的是80～90℃的去离子水，干燥物料的设备为烘箱，干燥温度为80～90℃。
进一步的，所述步骤四中，所述煅烧条件为箱式气氛炉中煅烧，煅烧温度为700℃～720℃，煅烧时间为2～3h。
进一步的，所述步骤四中，所述空心壳球四氧化三钴产品的物化指标为激光粒度D50在12～14µm，振实密度1.0～1.2g/cm3，比表面积0.5～1.5m2/g，形貌为空心壳球形。
实施例一：
步骤一、以氯化钴为原料，配置钴浓度为70g/L的钴溶液为A溶液；配置浓度为120g/L的碳酸钠溶液为B溶液；
步骤二、合成反应开始时，将 A、B 溶液并流加入30L反应釜中，同时将CO2气体以一定的流量从反应釜底部通入反应釜中，在搅拌 下进行湿法碳酸钴合成，反应过程中严格控制A溶液流量为8mL/min，B 溶液流量为12mL/min，CO2流量为2L/min，反应温度为43℃，搅拌强度为260转/min，反应时间为18h；
步骤三、反应结束后，开始陈化。陈化1h后，将合成产物用布氏漏斗抽滤洗涤，洗涤物料采用的是80℃的去离子水，干燥物料的设备为烘箱，干燥温度为90℃，得到空心壳球型碳酸钴。
步骤四、将得到的空心壳球碳酸钴在箱式气氛炉上煅烧，煅烧温度为720℃，煅烧时间为2h。得到空心壳球型四氧化三钴。
实施例1的部分物化指标如下表：
Co（%） Na<sup>+</sup>（%） D<sub>50</sub>(μm) TD(g/cm<sup>3</sup>) BET(m<sup>2</sup>/g)
73.29 ≤0.002 12.6 1.19 0.89
制备的产品微观形貌指标见附图1。
实施例二
步骤一、以氯化钴为原料，配置钴浓度为60g/L的钴溶液为A溶液；配制110g/L的碳酸钠溶液为B溶液。
步骤二、合成反应开始时，将A溶液与B溶液并流加入30L反应釜中，同时将CO2气体以一定的流量从反应釜底部通入反应釜中，在搅拌下进行湿法合成。反应过程中严格控制A溶液流量为9mL/min，B溶液流量为13mL/min，CO2流量为1.5L/min，反应温度为45℃，搅拌强度为250转/min，反应时间为17h。
步骤三、反应结束后，开始陈化。陈化0.8h后，将合成产物用布氏漏斗抽滤洗涤，洗涤物料采用的是85℃的去离子水，干燥物料的设备为烘箱，干燥温度为85℃，得到空心壳球型碳酸钴。
步骤四、将得到的空心壳球碳酸钴在箱式气氛炉上煅烧，煅烧温度为710℃，煅烧时间为2.5h。得到空心壳球型四氧化三钴。
实施例2的部分物化指标如下表：
Co（%） Na<sup>+</sup>（%） D<sub>50</sub>(μm) TD(g/cm<sup>3</sup>) BET(m<sup>2</sup>/g)
73.42 ≤0.002 13.2 1.14 1.26
制备的产品微观形貌指标见附图2。
实施例三
步骤一、配置50g/L的氯化钴溶液为A溶液；配制100g/L的碳酸钠溶液为B溶液。
步骤二、在30L的反应釜中进行湿法合成。合成反应开始时，将A溶液与B溶液并流加入反应釜中，同时将CO2气体以一定的流量从反应釜底部通入反应釜中，在搅拌下进行湿法合成。反应过程中严格控制A溶液流量为10mL/min，B溶液流量为14mL/min，CO2流量为1.0L/min，反应温度为47℃，搅拌强度为240转/min，反应时间为16h。
步骤三、反应结束后，开始陈化。陈化0.5h后，将合成产物用布氏漏斗抽滤洗涤，洗涤物料采用的是90℃的去离子水，干燥物料的设备为烘箱，干燥温度为90℃，得到空心壳球型碳酸钴。
步骤四、将得到的空心壳球碳酸钴在箱式气氛炉上煅烧，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。得到空心壳球型四氧化三钴。
实施例3的产品部分物化指标如下表2：
Co（%） Na<sup>+</sup>（%） D<sub>50</sub>(μm) TD(g/cm<sup>3</sup>) BET(m<sup>2</sup>/g)
73.59 ≤0.002 13.96 1.03 1.44
制备的产品微观形貌指标见附图3
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施 例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、以氯化钴为原料，配置钴溶液为A溶液；配置碳酸钠溶液为B溶液；
步骤二、合成反应开始时，将A、B溶液并流加入反应釜中，并以一定的方式向反应釜中通入CO2气体，在搅拌下进行碳酸钴的合成，合成过程中严格控制A、B溶液流量、CO2流量、反应温度、搅拌强度和反应时间；
步骤三、当合成反应结束后，开始陈化，陈化结束后，将合成产物过滤、洗涤、干燥，得到空心壳球碳酸钴合成产物；
步骤四、将空心壳球碳酸钴产品在一定温度条件下煅烧，得到空心壳球四氧化三钴产品。
2.根据权利要求1所述的一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，其特征在于：所述步骤一中钴溶液的钴浓度为50～70g/L，所属碳酸钠溶液的浓度为100～120g/L。
3.根据权利要求1所述的一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的反应釜为30L反应釜，所述向反应釜中通入CO2气体为从反应釜底部通入气体，所述反应过程中A、B溶液流量、CO2流量、反应温度、搅拌强度和反应时间的A溶液流量为8～10mL/min，B溶液流量为12～16mL/min，CO2流量为1～2L/min，反应温度为43～47℃，搅拌强度为240～260转/min，反应时间为16～18h。
4.根据权利要求1所述的一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，其特征在于：所述步骤三中陈化时间为0.5～1h，洗涤采用的是布氏漏斗洗涤，洗涤物料采用的是80～90℃的去离子水，干燥物料的设备为烘箱，干燥温度为80～90℃。
5.根据权利要求1所述的一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，所述煅烧条件为箱式气氛炉中煅烧，煅烧温度为700℃～720℃，煅烧时间为2～3h。
6.根据权利要求1所述的一种空心壳球四氧化三钴的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，所述空心壳球四氧化三钴产品的物化指标为激光粒度D50在12～14µm，振实密度1.0～1.2g/cm3，比表面积0.5～1.5m2/g，形貌为空心壳球形。
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