钴及四氧化三钴的制备、表征及相关性能研究

摘要

近年来，研究者们致力于研究宽频率、高吸收、低密度电磁波吸收材料的合成，由纳米尺度的粒子组成的单分散的空心多孔球状结构，因为团聚少、比表面积大，所以在光催化、药物传递、锂离子电池、气敏传感器、磁性材料和光学材料等多个领域被广泛应用。Co作为一种重要的磁性材料，因其具有较高的饱和磁化强度和较大的各向异性场，使其在高频波段实现电磁波吸收成为可能，因此，探索简单易行的合成空心多孔钴磁性材料的方法便具有十分重要的意义。
　　同时，在众多过渡金属氧化物中，Co3O4材料是一种重要的半导体功能材料，它具有稳定的化学性质和特定的磁学性能，因此在超级电容器、催化剂、气敏传感器、锂离子电池等许多领域都有广泛的应用。Co3O4的理论容量较高，为890mAhg-1，所以探索简单易行的合成比容量较高的Co3O4锂离子电池负极材料的方法也受到了特别的关注。
　　本论文旨在探索成本低廉、简单易行的空心多孔球状Co电磁波吸收材料以及多孔的花状和球状Co3O4锂离子电池负极材料的有效制备方法和相关性能，开展的主要工作如下:
　　(1)通过一种简单的溶剂热合成法和化学还原过程，得到了多孔空心球状钴粉末材料。经过表征，球表面的孔径尺寸约为2-4um，空心球壳的厚度约为150nm。空心球由大量的直径约为80-150nm的颗粒组成，且颗粒间存在大量尺寸为几十纳米的孔。磁性测试表明该结构具有高的饱和磁化强度(Ms为163.0emug-1)和矫顽力（Hcj为307.9Oe）。多孔空心球状钴的质量分数为30％和60％的钴-环氧树脂复合材料吸波剂分别在11.3-18.0GHz和4.0-12GHz频率范围内表现出高效的电磁波吸收特性(即RL＜-20dB)，且吸收厚度小，分别为1.4-2.0mm和1.4-4.0mm。与其他结构的钴相比，空心多孔球状结构与自由空间有更好的阻抗匹配，因而表现出更高的电磁波吸收性能。
　　(2)我们用一种简单的溶剂热合成法和煅烧过程，得到了多孔的花状结构和球状结构的Co3O4。经过扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜及比表面积和孔隙分析仪的表征可知，单个花状的Co3O4的尺寸约为4-5um，组成该花状Co3O4的薄片由大小为纳米级别的颗粒组成，且颗粒间存在大量的孔;单个Co3O4球的尺寸约为1-4um，Co3O4球由一系列的纳米级别的片或者短棒组成，且颗粒间存在一定量的孔。电化学性能测试的结果表明不同温度煅烧得到的花状Co3O4的电化学性能不同，较高温度得到的多孔Co3O4花状结构表现出较好的锂离子电池循环性能，多次循环后容量稳定在1200mAhg-1左右;不同温度煅烧得到的球状Co3O4的电化学性能不同，500℃煅烧得到的Co3O4表现出较好的锂离子电池循环性能，多次循环后容量稳定在700mAhg-1左右。这两种Co3O4材料作为锂离子电池负极材料，若在此基础上进行一定的掺杂或者复合，将具有更好的应用前景。