低氯微米級氫氧化鈷的制備

付海闊，吳理覺，文定強，陳 秋，鐘 暉，張 濤，冉建軍

（1.清遠佳致新材料研究院有限公司，廣東清遠511517；2.廣東佳納能源科技有限公司）

氫氧化鈷晶體與氫氧化鎳相似，主要有兩種結構，即α-Co（OH）2和β-Co（OH）2。α-Co（OH）2中陰離子包括氫氧根和代替氫氧根的其他陰離子，即堿式鹽Co（OH）2-x（An-）x/n·yH2O等），具有類似水滑石結構，其顏色通常呈藍色或綠色。β-Co（OH）2中陰離子只有氫氧根，具有水鎂石結構，氫氧根離子呈六方緊密堆積，陽離子充填于相鄰兩層氫氧根離子之間的八面體空隙，組成配位八面體的結構，其顏色呈玫瑰紅色。α-Co（OH）2并不穩(wěn)定，為亞穩(wěn)態(tài)，容易轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Co（OH）2［1］。

工業(yè)氫氧化鈷用途廣泛，全球消費量約為1 400 t/a（金屬量）。在MH-Ni 電池中，添加1%～5%的Co（OH）2可以增加電極的導電性、提高O2的析出電位，從而提高充放電效率和循環(huán)壽命。氫氧化鈷還用作合成鋰離子電池正極材料鈷酸鋰的前驅(qū)體和超級電容器的活性物質(zhì)［2］。另外，氫氧化鈷的一個重要用途就是用于合成有機鈷，如醋酸鈷、環(huán)烷酸鈷等。

氫氧化鈷常見的制備方法有水熱法［3］、固相合成法［4］、直接沉淀法［5］、電沉積［6］、絡合沉淀法［7］等，以上各種方法主要制備納米級氫氧化鈷，在生產(chǎn)過程中存在3 個困難：1）沉淀過程中易形成絮狀沉淀或膠體，顆粒不能生長且過濾困難；2）氫氧化鈷在堿性溶液中容易被空氣中的氧氣所氧化成棕褐色的Co（OH）3，存儲一段時間后顏色變深；3）在沉淀過程中Cl-和SO42-容易絡合形成堿式鹽雜質(zhì)在產(chǎn)品中，造成產(chǎn)品中的Cl、S 超標。歸結其原因主要在于：1）產(chǎn)品為納米級，晶體形狀差、粒徑小造成過濾困難；2）粒徑小、比表面積大，與氧氣接觸面積大而導致易氧化；3）沉淀過程中生成α-Co（OH）2。

用于合成有機鈷的氫氧化鈷要求產(chǎn)品粒度小于10 μm，不能氧化的同時且要求w（Cl）＜0.02%，關于微米級氫氧化鈷的制備尚未見到相關報道。

1 實驗部分

1.1 原料和設備

原料：CoCl2溶液（Co2+質(zhì)量濃度為120 g/L）、NaOH溶液（11 mol/L）、氨水（10 mol/L）。

設備：2 000 L 攪拌反應釜，帶加熱和進料系統(tǒng)；激光粒度分析儀（Mastersizer 3000）；掃描電鏡（Hitachi SU3800）。

1.2 實驗過程

以純水500 L、氨水25 L、水合肼0.5 L 為底液，加熱至50 ℃，將鈷液、氨水、液堿并流加入反應釜，反應過程保持pH 為10.5～11.5、質(zhì)量濃度為6～9 g/L；隨時監(jiān)控氫氧化鈷粒度，當氫氧化鈷粒度D50達到要求后停加鈷液、氨水，繼續(xù)加入液堿至pH為12.2 后停止反應，在60 ℃下陳化2 h 后過濾、洗滌，100 ℃真空烘干，得到氫氧化鈷產(chǎn)品。

2 結果與討論

2.1 氨絡合作用對產(chǎn)品形貌的影響

固定其他條件不變，平行兩組實驗，其中一組不加氨水。對比不加氨水與加氨水的晶體形貌，不加氨水制備的氫氧化鈷產(chǎn)品掃描電鏡見圖1a，加氨水制備的氫氧化鈷產(chǎn)品掃描電鏡見圖1b。

在無氨條件下，氫氧化鈷產(chǎn)品過濾困難，從圖1a可以看出，晶體顆粒較小，主要是因為無氨條件下，Co2+與OH-直接反應，反應速率快，不利于晶核生長；在氨絡合的條件下，從圖1b 可以看出，晶體粒徑大、為六方晶系，主要是因為氨存在條件下，Co2+首先與NH3絡合為鈷氨絡離子后再與OH-反應，反應速度減緩，有利于晶核生長。

合成氫氧化鈷主要化學反應方程式為［8］：

圖1 無氨/氨絡合條件下產(chǎn)品SEM 圖

2.2 料液加入順序?qū)Ξa(chǎn)品Cl 含量的影響

固定CoCl2溶液（Co2+質(zhì)量濃度為120 g/L）、NaOH溶液（11 mol/L）、氨水（10 mol/L）3 種料液濃度不變，固定攪拌轉(zhuǎn)數(shù)、過濾、洗滌、烘干等過程不變，只調(diào)整料液加入方式，研究了料液加入順序?qū)Ξa(chǎn)品Cl 含量的影響。實驗研究了4 種料液加入順序：

（Ⅰ）底液：500 L 純水、0.5 L 水合肼、400 L CoCl2溶液、46 kg 氨水，緩慢加入NaOH 溶液，至終點pH為12.20。

（Ⅱ）底液：500 L 純水、36 L NaOH、0.5 L 水合肼、40 L CoCl2溶液；CoCl2溶液、NaOH 溶液、 氨水3 種料液并流加入，保證pH 為11.50、終點pH 為12.20。

（Ⅲ）底液：500 L 純水、25 L 氨水、0.5 L 水合肼，CoCl2溶液、NaOH 溶液、氨水并流加入，保證pH 為10.5～11.5、終點pH 為12.20。

（Ⅳ）底液：500 L 純水、240 L NaOH 溶液+0.5 L水合肼；緩慢加入鈷氨絡合物：300 L CoCl2溶液+75 kg氨水，至終點pH 為12.20。

取4 種加入方式所得產(chǎn)品，分析檢測Cl 含量和微觀結構。各種料液加入方式產(chǎn)品中Cl 含量依次是0.12%、0.04%、0.02%、0.01%。掃描電鏡圖分別對應圖2a、b、c、d。

合成氫氧化鈷過程中，會生成α-Co（OH）2，因此在沉淀過程中應盡量避免α-Co（OH）2的反應。副反應化學反應方程式為：

料液加入順序（Ⅰ）相當于先形成鈷氨絡合物，再進行沉淀，晶型較好，但是因CoCl2溶液為底液，造成產(chǎn)品中Cl 含量較高；料液加入順序（Ⅱ）底液加入后生成無定型的晶粒，后續(xù)生長過程顆粒不均勻，同時底液中包括CoCl2溶液也造成了產(chǎn)品中Cl 含量偏高；料液加入順序（Ⅲ）稀氨水為底液，3 種料液并流加入，晶核形成的同時進行晶核的生長，晶型較好，且產(chǎn)品中Cl 含量較低；料液加入順序（Ⅵ）NaOH溶液為底液，鈷氨絡合物緩慢加入，這就有效避免了α-Co（OH）2的形成，產(chǎn)品中Cl 含量最低，但是因反應體系pH 過高，晶核細小，晶核生長速度慢。綜合產(chǎn)品Cl 含量和SEM 分析，后續(xù)實驗采用料液加入順序（Ⅲ）。

圖2 特定料液加入方式的產(chǎn)品SEM 圖

2.3 還原劑對產(chǎn)品氧化程度的影響

固定底液為純水500 L、氨水25 L、水合肼0.5 L，CoCl2溶液、NaOH 溶液、氨水并流加入，保證pH 為10.5～11.5、終點pH 為12.20，研究還原劑對產(chǎn)品氧化程度的影響。產(chǎn)品氧化程度以Co（Ⅲ）含量表示，其測試方法采用碘量法［9］。還原劑對Co（OH）2氧化程度的影響詳見表1。由表1 可知，在不加還原劑的情況下，部分Co（Ⅱ）被氧化成Co（Ⅲ），導致產(chǎn)品顏色為棕色； 在沉淀完成之后加入水合肼可以還原晶粒表面的Co（Ⅲ），但產(chǎn)品中Co（Ⅲ）含量仍較高；在沉淀開始前加入水合肼或抗壞血酸，能夠有效抑制Co（Ⅱ）的氧化。考慮到產(chǎn)品用于制造有機鈷，故本實驗選用水合肼為還原劑，且在沉淀開始前加入。

表1 還原劑對Co（OH）2 氧化程度的影響

2.4 累計生長時間對產(chǎn)品粒度的影響

以純水500 L、氨水25 L、水合肼0.5 L 為底液，加熱至50 ℃，開啟攪拌，CoCl2溶液、NaOH 溶液、氨水并流加入，CoCl2溶液加入速度為40 L/h，保證反應pH 為10.5～11.5、NH4+質(zhì)量濃度為6～9 g/L，直至反應64 h。期間，約每間隔4 h 取漿體1 L，取出的漿體在燒杯中繼續(xù)加入NaOH 溶液至終點pH 為12.20，陳化2 h 后過濾、洗滌、烘干，測粒度和Cl 含量。累計生長時間對產(chǎn)品粒度和Cl 含量的影響詳見表2，累計生長時間為12、24、41、64 h 的產(chǎn)品掃描電鏡圖分別對應圖3a、b、c、d，累計生長時間為12、24、41、64 h 的產(chǎn)品顏色分別對應圖4a、b、c、d。

表2 累計生長時間對產(chǎn)品的影響

圖3 特定累計生長時間的產(chǎn)品SEM 圖

圖4 特定累計生長時間的產(chǎn)品外觀顏色

2.5 平行實驗

向2000 L 密閉反應釜中加入純水500 L 作為底液，加熱至50 ℃后，開啟攪拌并加入氨水25 L、水合肼0.5 L，將鈷液、氨水、液堿并流加入反應釜，保證反應pH 為10.5～11.5、NH4+質(zhì)量濃度為6～9 g/L，隨時監(jiān)控氫氧化鈷粒度，當氫氧化鈷粒度達到10 μm 后停加鈷液、氨水，繼續(xù)加入液堿至pH 為12.2 后停止反應，在60 ℃下陳化2 h，所得氫氧化鈷漿體經(jīng)過濾、 洗滌，100 ℃真空烘干后即得氫氧化鈷產(chǎn)品，粒度、Cl 含量詳見表3，產(chǎn)品為玫瑰紅色，且真空包裝3 個月內(nèi)不變色。

表3 優(yōu)化條件驗證平行實驗結果

3 結論

1）采用氨絡合控制的沉淀結晶工藝可以制備出微米級的氫氧化鈷產(chǎn)品；2）在沉淀前加入水合肼能夠有效起到Co（Ⅱ）的還原保護作用；3）采用氨水作底液，液堿、氯化鈷液、氨水并流加入的方式能夠確保氫氧化鈷產(chǎn)品中的w（Cl）小于0.02%。