化学论文

组长：秦光渝成员：李振、祁华臣、李威、

潘卜生、梁志华纳米氧化钴的研究发展

摘要：综述了纳米氧化钴的性质，制备方法，催等领域的应用以及可能的发展前景。综合分析认为纳米氧化钴具有十分广阔的应用前景。 关键词：纳米氧化钴；制备；发展前景

高纯度二氧化锆为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。熔点高达2680℃，导热系数，热膨胀系数、摩擦系数低，化学稳定性高，抗腐蚀性能优良，尤其具有抗化学侵蚀和生物侵蚀的能力。大量用于制造耐火材料，研磨材料，陶瓷材料和钴酸盐等。从结构上看，氧化钴由于其具有酸性和碱性表面中心，因而是一种理想的酸基双功能催化材料，在催化领域起重要的作用。氧化钴还具有独特的相变增韧性，这使氧化钴陶瓷不仅强度高，断裂韧性也很大。同时，氧化钴具有高温氧离子导电性，这一点在氧传感器中得以应用。

1、纳米氧化钴的性质

1、1 增韧特性

一般说来，金属氧化物的许多物理化学性质，特别是催化心里很大程上取决其表面晶相结构。通常情况下，二氧化钴有四钟存在形式：无定形、常温下稳定的单斜晶相、常温下介温的四方晶相及高温时稳定的立方晶相。

单斜氧化钴加热到1170℃时转化为四方氧化钴，这个转变速度很快并伴随7％-9％的体积收缩。但在冷却过程中，四方氧化钴往

往不在1170℃转变为单斜氧化钴，而在1000℃左右转变，是一种滞后的转变，同时伴着体积膨胀。

氧化钴增韧是通过四方相转变为单斜相来实现的。这种相变属于马氏体相变。氧化钴的增韧机制有很多种，可分为应力诱发相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面强化韧化等。 1、2 其他性质

二氧化钴化学性能稳定，除二氧化硫和氟化氢外，对酸、碱及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属都具有很好的稳定性；在各种金属氧化物陶瓷材料中，二氧化钴高温热稳定性，隔热性最好，二氧化钴材料的熔点高达2700℃，保证了它在高温下应用时更稳定，最适宜做高温涂层和高温耐火制品，以二氧化钴为主要原料的钴英石基陶瓷颜料，是高级釉料的重要成分。二氧化钴的热导率在常见的陶瓷材料中最低，尤其是在高温1000℃时，它的热导率是所有致密陶瓷材料中最低的。在气孔和裂纹存在的情况下，二氧化钴材料的热导率值通常在0.8-1.7W/(m×K)之间；而热膨胀系数又与金属材料较为接近，成为重要的结构陶瓷材料；特殊的晶体结构，使之成为重要的电子材料。

2、纳米氧化钴的制备

纳米氧化钴的制备有化学方法和物理方法。其中物理方法主要有蒸发-冷凝法、溅射法、液态金属离子源法、机械合金法及超声膨胀法等。由于物理法主要用于单质、合金等纳米粒子的制备，故采用物理法制备二氧化钴超细粉的报道较少。目前制备纳米氧化钴的方法主

要是采用化学方法，如湿化学法（包括共沉淀法、乳浊液、水热法、直接沉淀法及均一沉淀法等）、化学气相法和溶剂蒸发法等。随着纳米技术的进一步发展，制备纳米氧化钴的方法逐渐趋于成熟。 2、1共沉淀法

共沉淀法是在水溶性钴盐与稳定剂的混合水溶液中加入氨水等溶液，反应后生成不溶于水的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐等，再经加热分解得到高纯度。

纳米超细粉，郭源源等用共沉淀法制备掺杂复合稳定剂纳米四方多晶氧化钴粉体，并讨论了pH，煅烧温度以及稳定剂的含量对所制备的粉体的组成情况和晶粒尺寸。共沉淀法工艺简单，说得纳米粉体性能较好，但在洗涤后的沉淀物中，有少量初始溶液中的阴离子及沉淀剂中的阳离子残留物，对纳米分体的烧结性能产生不良影响。李燕等以共沉淀法制得纳米二氧化钴超细粉，用硬脂酸对其表面进行改性，发现表面发生了类似于酸和醇生成脂的酯化反应，在粒子表面形成单分子膜，使其表面由极性变为非极性，提高了纳米二氧化钴超细粉的分散性。 2、2水解沉淀法

利用金属的明矾盐溶液、硫酸盐溶液、氯化物溶液、硝酸盐溶液等在高温下经过较长时间的水解可以形成氧化物超微粉。此法简单，但耗能较大，反应缓慢且不经济。 2、3金属醇盐法

金属醇盐法通过将水加入金属醇盐中制备纳米粉体的方法，金属

醇盐遇水后很容易分解成醇和氧化物或其水合物等沉淀，这些沉淀经过滤、干燥及焙烧等过程可制得纳米粒子。

金属醇盐水解沉淀法最大的优点是反映速度快，而且可以从所得物质的水溶液中直接分离制备高纯度的纳米粒子，所得粒子几乎均是一次粒子，且粒子的大小和形状均一。因此，该法制得的纳米二氧化二氧化钴适用于高性能，高强，高韧的电子材料和结构材料。其缺点是需要用大量的昂贵的有机金属化合物。所以此法耗资大，且容易造成污染问题。 2、4微乳液法

微乳技术制备粉体纳米催化剂的一般方法是，将合成催化剂的反应物溶于微乳液中，在剧烈搅拌的情况下，反应物在水核中进行化学反应且产物在水核中成核、生长，最终形成纳米微粒。因此，适当调节反应物浓度，可控制粒子的尺寸，但粉体的分散稳定性不好。 2、5化学气相沉淀法

化学气相沉淀饭食利用气态或燕气态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术。用化学气相沉积法制备的粉体是在气相中利用挥发性金属化合物的蒸汽，在氮气保护环境下通过化学反应可快速冷凝制备出纳米粒子，如用单晶吸作原料，把经硅胶干冰等干燥剂处理的和注人放有上述原料的反应器中于240℃-260℃升华，加热到875K，发生化学反应即可制得氧化钴粉体。

用此法制备出的二氧化钴超微粒子均匀，纯度高粒度小，分散性好，化学反应及活性高，受到人们的青睐。

2、6其他方法

除上述方法之外，还有微波诱导法、超声波法、反胶团法、溶剂蒸发法、均相沉淀-发泡法、电化学合成法、共沸蒸馏法、流变相反应法，液相转化法等。

3、纳米氧化钴的应用

3、1增韧陶瓷

陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀和重量轻等一系列优良的性能，但陶瓷材料脆性大，对内部缺陷敏感，裂纹一经产生往往就迅速扩展，使材料材料呈现无预兆的灾难性突然断裂。因此，陶瓷部件与金属部件相比可靠性差，这已成为影响陶瓷材料推广应用的瓶颈。陶瓷增韧一直是摆在材料科研工作者面前的一道难题。而氧化钴具有超塑性行为，给陶瓷增塑带来了希望。利用氧化钴的相变增韧、残余应力增韧及微裂纹增韧效应，氧化钴广泛应用于增韧其他陶瓷和脆性金属间化合物。 3、2催化领域

纳米氧化钴的化学稳定性好，不仅具有典型过渡氧化物的共性，而且是同时具有表面酸性位、碱性及氧化性、还原性的金属氧化物，它又是P型半导体，易于产生氧空穴，具有优良的粒子交换性能。在自动催化，催化氢化、F-T反应的催化、聚合和氧化反应的催化及超强酸催化剂方面，均受到了特别的关注，而纳米由于具有高的比表面积和丰富的表面缺陷而在催化领域颇受重视。它既可以单独作为催

化剂使用，也可以作为载体或助剂，与活性组分产生较强的相互作用。 3、3涂层和薄膜

纳米氧化钴是近几年发展起来的具有广泛用途的薄膜材料，因它具有优良的耐热，隔热性能，光学性能，电性能，机械性能及化学稳定性，可作热障涂层、绝热、耐磨、耐蚀涂层及光电器件等，故可广泛用于航空航天、钢铁冶金、机械制造、光学、电学等领域，前景十分广阔。从目前资料来看国外（尤其是美、英等国）在这方面的研究较早，且取得了一定的成果。

4、纳米氧化钴发展的前景

纳米氧化钴在工业合成、催化剂、催化剂载体和特种陶瓷等方面具有较大的应用价值，为适应这方面的要求，纳米氧化钴应向复合型发展，即制备多种材料的复合粉体。应用具有大的比表面积和热烧结稳定性，提供更多的酸性和碱性中心，尤其是固碱催化剂在工业生产中将越来越具有潜在价值。如何利用二氧化钴的弱碱性制备更强的固体碱也将是人们关注的课题。精确的调节和控制纳米氧化钴粉末的组成和粒子的粒度和形状，以及控制这些因素对该粉末在应用中的性能影响，如何降低成本以及实现工业化生产应用都需要进一步研究。 作为热障涂层主要解决的是涂层的制备技术及涂层结构的设计。由于涂层与基体应力不匹配常导致涂层失效，因此需合理设计涂层结构，采用多膜或梯度膜，既可发挥其热障作用又可提高涂层使用寿命，既要保证喷涂用良好的流动性，又要保证粉体具有一定的致密度，在目

前的工艺条件下有一定的难度，此外，进行纳米氧化钴传感器材料和氧化传感器性能优化的研究也十分必要。

5、结语

将各种方法综合使用或创造出更多制造粉体的新方法是今后的研究方向。由于纳米氧化钴具有超塑性行为，被用作陶瓷增韧的材料；纳米氧化钴的化学稳定性好，粒子尺寸小，比表面积大，使催化性能大大提高；由于氧化钴禁带宽，折射率高，被广泛应用于各种光学薄膜；纳米氧化钴涂层晶粒堆积紧密、气孔率低，涂层的结合性能较好，被广泛用作热障涂层，总之，纳米氧化钴具有十分广阔的应用前景。

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