氧化钴的多种应用及制备

背景及概述^[1][2]

氧化钴化学式CoO，棕绿色立方晶系粉末。可用钴粉在氧气或空气中氧化，或由Co₃O₄在空气中于1160℃热分解，也可由二价钴的硝酸盐、碳酸盐或氢氧化物在真空中热分解制得。 在无机酸中溶解变为红色溶液(浓盐酸、浓硫酸中变为蓝色)，在常温下吸收空气中的氧变为棕色，进一步变为黑色。在空气中焙烧时于390～590℃氧化变为 Co₃O₄，容易被H₂、CO和C还原为金属。在高温时为氯化钠型结构，低温时为Co₃O₄。可用钴粉在氧气或空气中氧化，或由Co₃O₄在空气中于1160℃热分解，也可由二价钴的硝酸盐、碳酸盐或氢氧化物在真空中热分解制得。 

应用^[3-4]

随着钴生产的发展，钴的制品如金属钴、氧化钴 、钴盐及钴有机物等的产量和质量不断提高，对钴制品的应用发展创造了极有利的条件。目前我国钴制品应用领域扩大，用量日增，品种增多。预计 2000 年时氧化钴的应用领域更加广泛，特别是在冶金、化工 、电气及建材等将会得到迅速地发展。目前我国氧化钴产品的主要应用领域。

1. 其它产品原料
例如用氢在一定温度下还原氧化钴生产金属钴粉，用于制造硬质合金； 用酸溶解氧化钴制成水溶液进行电解获得金属钴锭，作为高温高强度合金钢添加剂；将氧化钴制成酸性钴溶液，经不同的化学加工后可生产钴盐，如 CoCl₂，CoSO ₄，CoCO₃ 和 CoC₂O₄等。因此，纯氧化钴作为中间原料，应用广泛。

2. 搪瓷和陶瓷颜料
在化工搪瓷生产设备等方面，搪瓷材料中加入氧化钴后，可耐腐蚀和提高耐磨度。在各种建材和日用陶瓷中，用氧化钴制成蓝色的颜料或釉料涂于陶瓷制品，经焙烧后呈现了鲜艳蓝色的陶瓷品，更具有艺术性。

3. 油漆添加剂
在制造各种油漆时加入氧化钴，生产的油漆性能有所提高，特别是在油漆中起着催干剂的作用，即是在油漆使用中易于快速凉干，以提高应用速率，这对油漆的快速施工大有益处

4. 精炼石油催化剂
钴制品在石油炼制中作为催化剂有着较长的历史，且在促进炼油的发展中起着重要的作用。如有的用金属钴与铝、铁等制成合金催化剂，应用日益发展； 而用氧化钴作为石油催化剂也是十分重要的，它对于加速石油炼制的作用是不可缺少的。因此，近年来氧化钴催化剂的使用跃居重要地位。此外，氧化钴在电气工业如彩电粉的添加剂及其它化工方面的使用，也迅地在发展之中。总的看来，氧化钴的应用领域将不继开拓扩大，前景是乐观的。

5. 氧化钴多孔薄膜。

钴因其在电催化、电池、超电容 、磁性材料等领域的广泛应用而受到重视。CoOx 用作超电容器电极材料可与其它电极材料复合使用，如与 NiO x、RhO x，MnO x等复合均有报道。多孔氧化钴材料用作单一超电容器电极材料时，常用制备方法有溶胶凝胶法，软模板法，高温溅射法等。通过溶胶凝胶法制得 Co3O 4 电极材料，但溶胶凝胶法制备过程比较复杂且不易控制。用十二烷基磺酸钠作为软模板在溶液中水解合成多孔Co(OH) ₂，但此法在多孔 Co(OH) ₂ 后续利用中需要去除模板，制备过程比较复杂。利用高温溅射法制得多孔Co₃O₄ 纳米粒子薄膜，但存在内阻较大，导致电极功率特性不佳等问题。有实验利用气泡模板法在石墨电极表面沉积出 CoO x·yH₂O 多孔结构薄膜，此方法操作简单，适合较大规模生产。

制备^[3，5]

1. 磁钢渣为原料制备氧化钴

目前国内外的含钴合金废料种类繁多，成分复杂，如高温合金( Co 13 % )，永磁合金( Co 25 % )，合金钢( Co 5 %~15 % )，硬质合金( Co <10 % )，磁钢( Co 15 % ) 和可伐合金( Co 16% ) 等的合金废料，其来源多，组分较杂。为符合工厂的传统生产工艺技术，操作方法，主要设备状况及化工材料供应等条件因素，有研究选择了磁钢渣为原料 ( 切屑及磨料状)。多年生产的经验证明，该磁钢渣作为工厂的原料较为合适，保证了氧化钴的产品质量。磁钢渣的化学成分如下Co15 ~16，Ni9 ~1 0，Fe67~69，Cu 0.5 ~0.6，Mn 0.2 ~0.3，Al 5 ~6，
Ca +Mg 0.6~0.7，含油和水 0.08 ~0.10。生产工艺流程如下：经过多年的生产实践证明，用含钴合金废料生产氧化钴的工艺是合理可行的，且稳定可靠，详见图：

2. 以低品位铜钴矿制取氧化钴。根据铜钴矿的化学成分及物相确定了处理铜钴矿的原则工艺流程 ：铜钴矿--磨矿--还原酸溶--萃取分离铜--中和除铁--沉钴--溶解--净化-- P 204 深度除杂-- P 507 萃分钴镍--沉钴--煅烧--氧化钴。在水钴矿中，钴以高价的形态存在，为使其有效地转入溶液，可用亚硫酸钠作为还原剂，在硫酸介质中进行还原溶解。钴在进行还原溶解过程中，大部分的铜及部分铁、钙、镁等杂质亦随钴进入溶液。

浸出液采用萃取的方法将其中的铜萃取，负载有机相反萃所得的硫酸铜溶液可用于制备硫酸铜或进行铜电积。萃铜后所得的萃余液先氧化中和除铁再用碳酸钠沉淀富集，得到碳酸钴。

主要参考资料

[1] 中国中学教学百科全书·化学卷

[2] 化合物词典

[3] 林河成. "论述氧化钴的生产及应用." 有色矿冶 15.2 (1999): 29-32.

[4] 陈金华, et al. "氧化钴多孔薄膜的电化学制备及其超电容性能." 湖南大學學報 (自然科學版) 34.6 (2007): 44-48.

[5] 徐远志. "以低品位铜钴矿制取氧化钴的工艺研究." 云南冶金 39.5 (2010): 35-39.