PVA和熱處理對(duì)溶液燃燒法合成Co3O4粉體的微觀形貌及磁性能影響研究

魏玉鵬，馮紹晨，趙飛云，申永前，李慶林，馬吉強(qiáng)，王海燕

PVA和熱處理對(duì)溶液燃燒法合成Co3O4粉體的微觀形貌及磁性能影響研究

魏玉鵬，馮紹晨，趙飛云，申永前，李慶林，馬吉強(qiáng)，王海燕

(蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

隨著鋰離子電池行業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)方法合成鈷的氧化物粉體的生產(chǎn)工藝已經(jīng)不能滿足納米電極材料對(duì)Co3O4粉體顆粒大小及分散性的要求。本文通過研究聚乙烯醇(PVA)及熱處理對(duì)溶液燃燒法合成的Co3O4粉體微觀形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，并對(duì)其磁學(xué)性能進(jìn)行研究。通過分析不同PVA添加量合成的Co3O4粉體產(chǎn)物的微觀形貌得出，當(dāng)PVA添加量為1.0 g時(shí)，合成粉體產(chǎn)物的氣孔數(shù)量相對(duì)較大；隨后分別在600 ℃、700 ℃、800 ℃下熱處理1 h，并研究熱處理后產(chǎn)物的磁滯曲線。當(dāng)PVA添加量為1.0 g，熱處理溫度為700 ℃時(shí)，合成粉體的分散性最好，顆粒尺寸在100 nm左右，且矯頑力最小，剩磁最大，飽和磁化強(qiáng)度相對(duì)較大，分別為349.71 Oe、0.181 emu/g和1.43 emu/g。

Co3O4納米粉體；聚乙烯醇(PVA)；熱處理；微觀形貌；磁性能

0 引言

納米四氧化三鈷(Co3O4)是一種重要的電極材料、磁性材料以及電催化劑[1-7]。因其具有良好的電化學(xué)性能以及較大的比表面積，納米Co3O4材料被廣泛應(yīng)用于電池行業(yè)。但隨著鋰離子電池行業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)方法合成Co3O4粉體的生產(chǎn)工藝已經(jīng)不能滿足電池行業(yè)對(duì)Co3O4納米粉體顆粒分散性的要求。因此探索更為合適的制備工藝對(duì)于優(yōu)化電池級(jí) Co3O4粉末的生產(chǎn)工藝及開發(fā)新產(chǎn)品具有十分重要的意義。

目前，已經(jīng)研究開發(fā)的合成Co3O4納米粉體的工藝方法有很多種，包括微乳液法、溶膠凝膠法、溶劑熱合成法、溶液燃燒法等[8-12]。其中，采用溶液燃燒法合成納米粉體所需的大部分熱量由反應(yīng)自身提供，因此反應(yīng)所需的溫度明顯低于理論相形成溫度，且溶液燃燒合成法具有合成工藝簡(jiǎn)單、合成溫度低及時(shí)間短、易于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)[13-15]。但是，該方法合成的Co3O4粉體仍存在反應(yīng)不充分、分散度差的問題[16]。李啟厚[17]等研究了添加NaCl對(duì)溶液燃燒法合成Co3O4粉體材料分散性的影響，確定了使Co3O4粉體材料分散性最大的NaCl添加量，但該方法合成的納米粉體由于NaCl加入，Co3O4的純度會(huì)受到影響。PVA(聚乙烯醇)是在工業(yè)生產(chǎn)中常用的有機(jī)粘合劑，其分子鏈中含有大量的活性羥基。在反應(yīng)過程中PVA的分解會(huì)放出大量氣體，提高合成粉體的分散性。因此本文研究了不同PVA加入量及不同熱處理溫度下溶液燃燒法合成的Co3O4粉體微觀形貌以及磁學(xué)性能，揭示PVA添加量、熱處理溫度對(duì)燃燒合成Co3O4粉體的結(jié)構(gòu)和磁性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用原料為Co(NO3)2·6H2O(CP)、NH2CH2COOH(CP)、NaCl(AR)和氯化鉀(AR)、PVA溶液(10wt.%)。

按照1:1.11的摩爾比稱取6.55 g Co(NO3)2·6H2O和1.875 g NH2CH2COOH，混合加入到80 mL蒸餾水中，并加入PVA分散劑，40 ℃下恒溫?cái)嚢璩删煌该魅芤?，溶液中各組分質(zhì)量于表1。然后將此混合溶液倒入燒瓶中，在電加熱套中迅速升溫反應(yīng)，在此過程中所有反應(yīng)均在大氣環(huán)境下進(jìn)行。觀察到黏性液體膨脹并釋放出氣體，發(fā)生自蔓延溶液燃燒反應(yīng)，生成疏松的黑色粉末。將三口燒瓶緩慢冷卻至室溫，即得最終反應(yīng)產(chǎn)物。

表1 反應(yīng)液中各組分的質(zhì)量

Tab.1 The mass of each component in the reaction solution

采用D/MAX-2400型X射線衍射儀分析該粉體的物相組成；采用EDS能譜儀分析該粉體表面微區(qū)的元素分布情況；采用日本JSM－6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析該粉體的微觀形貌結(jié)構(gòu)，并將添加1.0 g PVA燃燒合成的Co3O4納米粉體分成三組，在空氣中分別進(jìn)行600 ℃、700 ℃、800 ℃下保溫1 h的熱處理，分析其熱處理后的物相組成及形貌結(jié)構(gòu)，并采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)定上述三種溫度下熱處理后產(chǎn)物的磁滯曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 PVA對(duì)Co3O4納米粉體微觀形貌和物相的影響

通過圖1分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PVA加入量小于1.0 g時(shí)，其能使納米晶Co3O4粉體的表面孔隙數(shù)量增加，顆粒分散性提高，但在PVA加入量超過1.0 g后，顆粒分散性呈下降趨勢(shì)。這是由于PVA的分解產(chǎn)生了CO、CO2等氣體，使得粉體產(chǎn)物表面有氣孔產(chǎn)生，并且隨著PVA加入量的增大，反應(yīng)過程中PVA的發(fā)氣量越大，氣孔數(shù)量越多，粉體的表面積越大；但當(dāng)PVA加入量超過1.0 g時(shí)，合成反應(yīng)產(chǎn)生的總熱量不能夠使PVA完全分解，導(dǎo)致PVA殘留，促使反應(yīng)產(chǎn)物顆粒發(fā)生團(tuán)聚，致使合成的粉體顆粒出現(xiàn)一個(gè)“團(tuán)聚-分散-團(tuán)聚”的變化趨勢(shì)[18]。因此，當(dāng)PVA加入量剛好為1.0 g時(shí)，合成的粉體顆粒分散性最好，孔隙最豐富。

對(duì)比圖2和四氧化三鈷的標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片JCPDS NO.43-1003發(fā)現(xiàn)，兩者主峰的角度和強(qiáng)度數(shù)據(jù)一致，且沒有其它雜質(zhì)峰的出現(xiàn)，說明該該合成產(chǎn)物的主要成分為Co3O4[19]。

2.2 熱處理對(duì)Co3O4納米粉體微觀結(jié)構(gòu)及物相的影響

由圖4可見，當(dāng)熱處理溫度為600 ℃時(shí)，部分Co3O4(JCPDS NO.43-1003)轉(zhuǎn)變?yōu)镃oO(JCPDS NO.48-1719)，當(dāng)熱處理溫度達(dá)700 ℃時(shí)，Co3O4全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃oO，當(dāng)熱處理溫度達(dá)800 ℃時(shí)，部分CoO繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，生成Co(JCPDS NO.15- 0806)單質(zhì)相。結(jié)合圖3得出，隨著熱處理溫度的不斷提高，Co3O4納米粉末原有的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸塌陷，顆粒直徑變大，分散度降低。其原因是合成產(chǎn)物中往往會(huì)帶有少量殘留的PVA，并殘留的PVA在合成產(chǎn)物中起到了粘合劑的作用，使粉體顆粒的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抑制了產(chǎn)物顆粒的相互接近并抑制了顆粒團(tuán)聚。而600 ℃以上的熱處理會(huì)使合成粉體中殘留的PVA逐漸分解、揮發(fā)，從而破壞原有的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且在保溫過程中，粒徑較小的顆粒逐漸相互靠近并發(fā)生燒結(jié)、團(tuán)聚，形成了粒徑較大的亞微米顆粒[20]。

圖1 不同PVA添加量合成產(chǎn)物的微觀形貌(a)無添加、(b)0.5 g PVA、(c)1.0 g PVA、(d)1.5 g PVA、(e)2.0 g PVA

Fig.1 Micromorphology of synthetic products with different PVA addition amount (a) No added, (b) 0.5 g PVA, (c) 1.0 g PVA, (d) 1.5 g PVA, (e) 2.0 g PVA

圖2 1.0 g PVA合成產(chǎn)物的X射線衍射圖

2.3 熱處理對(duì)Co3O4納米粉體磁學(xué)性能的影響

在室溫、0~20 kOe磁場(chǎng)條件下測(cè)量了600 ℃、700 ℃、800 ℃熱處理后的合成產(chǎn)物的磁滯回線。分析圖5得出，600 ℃、700 ℃、800 ℃下保溫1 h后的Co3O4納米粉體的矯頑力Hc分別為347.51 Oe、349.71 Oe、254.56 Oe，剩磁Mr分別為0.016 emu/g、0.181 emu/g、0.175 emu/g，飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs分別為19937.76 Oe、9978.01 Oe、9978.36 Oe，飽和磁化強(qiáng)度Ms分別為0.22 emu/g、1.43 emu/g、2.68 emu/g。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明隨著熱處理溫度升高，合成產(chǎn)物的矯頑力降低、剩磁減小、磁滯回線變窄、軟磁性增強(qiáng)，且飽和磁化強(qiáng)度增大，結(jié)合圖3、圖4分析其原因一方面是隨著熱處理溫度的升高，合成產(chǎn)物從矯頑力相對(duì)較大、剩磁相對(duì)較小的Co3O4轉(zhuǎn)變中間體CoO，且CoO會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌C頑力相對(duì)較小、剩磁相對(duì)較大的Co，使得合成產(chǎn)物的磁滯回線變窄、軟磁性增強(qiáng)；另一方面隨著熱處理溫度的升高，合成產(chǎn)物中殘留的PVA逐漸分解、揮發(fā)，體積較小的顆粒逐漸相互靠近并發(fā)生燒結(jié)、團(tuán)聚，形成體積較大的顆粒，從而增大了粉體的飽和磁化強(qiáng)度[21]。

圖3 不同熱處理溫度的合成粉體微觀形貌(a)600 ℃、(b)700 ℃、(c)800 ℃(1.0 g PVA)

圖4 不同熱處理溫度的合成粉體X射線衍射圖(1.0g PVA)

圖5 不同熱處理溫度的合成產(chǎn)物磁滯回線(a)完整曲線、(b)局部放大曲線(1.0 g PVA)

3 結(jié)論

PVA(聚乙烯醇)作為發(fā)泡劑、分散劑可適當(dāng)加入到溶液燃燒法合成Co3O4納米粉體的反應(yīng)體系中，以提高合成產(chǎn)物的分散性。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，隨著PVA加入量的增大，合成的粉體顆粒出現(xiàn)一個(gè)“團(tuán)聚-分散-團(tuán)聚”的變化趨勢(shì)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PVA溶液添加量為1.0 g時(shí)，Co3O4納米粉體的顆粒分散性最好，且粉體顆粒直徑均在50~100 nm之間。熱處理后發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理溫度的升高，合成粉體的軟磁性增強(qiáng)、飽和磁化強(qiáng)度增大，且顆粒直徑變大、團(tuán)聚現(xiàn)象更明顯、分散性下降，綜合產(chǎn)物的磁學(xué)性能和顆粒分散性分析得，當(dāng)熱處理溫度為700 ℃，保溫時(shí)間為1 h時(shí)，合成粉體中絕大部分的Co3O4會(huì)轉(zhuǎn)變成CoO，此時(shí)產(chǎn)物的軟磁性相對(duì)較好、飽和磁化強(qiáng)度相對(duì)最高，顆粒分散性相對(duì)最好，且此時(shí)的矯頑力和剩磁分別為349.71 Oe和0.181 emu/g，飽和磁化強(qiáng)度為1.43 emu/g。

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Effects of PVA and Heat Treatment on the Morphology and Magnetic Properties of Co3O4Synthesized by Solution Combustion

WEI Yupeng, FENG Shaochen, ZHAO Feiyun, SHENG Yongqian, LI Qinglin, MA Jiqiang, WANG Haiyan

(College of Material Science and Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China)

With the rapid development of lithium ion battery industry, the production process of cobalt oxide powder synthesized by traditional methods has been unable to meet the requirements of particle size and dispersion of Co3O4powder for nanometer electrode materials. In this paper, the micro morphology and structure of Co3O4powder synthesized by solution combustion were regulated by studying PVA and heat treatment, and its magnetic properties were studied. By analyzing the micro morphology of Co3O4powder products synthesized by different PVA addition amounts, it is concluded that when the PVA addition amount is 1.0 g, the number of pores in the synthetic powder products is relatively large. Then heat treatment was conducted at 600 ℃, 700 ℃ and 800 ℃ for 1h respectively, and hysteresis curves of products after heat treatment were studied. When the addition of PVA was 1.0 g and the heat treatment temperature was 700 ℃, the dispersion of the synthetic powder was the best, with particle size around 100 nm, minimum coercive force, maximum residual magnetism and relatively large saturation magnetization, respectively 349.71 Oe, 0.181 emu/g and 0.143 emu/g.

Co3O4nano-powder; polyvinyl alcohol (PVA); heat treatment; micromorphology; magnetic properties

date: 2019?03?15.

date:2019?05?24.

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)基金(51767016，51561021)。

Correspondent author:WEI Yupeng(1978-)，male，Master, Lecturer. E-mail:weiyp05@lut.cn

TQ174.75

A

1000-2278(2019)04-0540-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2019.04.022

2019?03?15。

2019?05?24。

魏玉鵬(1978-)，男，碩士，講師。