Kobolt(II,III)oxid (Co3O4) – formel, struktur, egenskaper och användning

Kobolt(II,III)oxid (Co3O4) — komplett guide till formel, kristallstruktur, kemiska egenskaper och praktiska användningar inom katalys, batterier och elektronik.

Kobolt(II,III)oxid är en kemisk förening. Den innehåller en del (1 atom) kobolt i oxidationstalet +2 och en del (2 atomer) i oxidationstalet +3. Dess kemiska formel är Co₃O₄. Den innehåller kobolt- och oxidjoner.

Struktur och kemisk natur

Co₃O₄ har en normal spinelstruktur (rumsgrupp Fd-3m). I denna struktur sitter Co(II)-jonerna i tetraedriska positioner medan Co(III)-jonerna sitter i oktaedriska positioner. Formeln kan därför formellt skrivas som Co²⁺(tetra) Co³⁺₂ (okta) O₄. Co³⁺ är oftast lågspin (d6) och i stort sett icke-magnetisk, medan Co²⁺ bidrar till magnetiska egenskaper.

Fysikalisk och elektronisk egenskaper

• Utseende: svart eller brun-svart kristallint pulver.
• Molar massa: cirka 240,8 g·mol⁻¹.
• Täthet: ungefär 6,0–6,2 g·cm⁻³ (bulkvärde beroende på sampel och porositet).
• Kristallstruktur: kubisk spinel med gitterparameter a ≈ 8,08 Å.
• Elektroniska egenskaper: Co₃O₄ är ett p-typ halvledande material med rapporterade bandgap i intervallet ungefär 1,6–2,1 eV beroende på provets form (bulk vs nanopartiklar) och mätmetod.
• Magnetism: materialet är antiferromagnetiskt vid låga temperaturer med ett Néel‑temperatur omkring 30–40 K; ovan denna temperatur uppvisar det paramagnetiskt beteende.

Kemiska egenskaper och reaktivitet

Co₃O₄ är ett relativt stabilt oxid i luft men reduceras lätt under reducerande atmosfär (t.ex. H₂) till CoO eller vidare till metalliskt kobolt beroende på temperatur och reduktionsgrad. I syror löses Co₃O₄ upp och bildar lösliga koboltioner (vanligen Co²⁺) och motsvarande salt. Övriga vanliga reaktioner utnyttjar dess redox‑ och katalytiska egenskaper.

Framställning

Vanliga laboratorie- och industrimetoder för att framställa Co₃O₄ inkluderar:

• Termisk kalcinering av koboltnitrater, -karbonat eller -hydroxider i luft (typiskt 300–600 °C) vilket ger Co₃O₄.
• Oxidation av CoO vid förhöjd temperatur.
• Hydrothermal och solvotermal syntes för att få kontrollerade nanopartiklar eller nanostrukturer.
• Kemisk fällning följt av kalcinering för större mängder eller som förstadium i katalysatorberedning.

Användningsområden

Co₃O₄ används inom flera tekniska och vetenskapliga tillämpningar tack vare sina elektrokemiska och katalytiska egenskaper:

• Katalysatorer: för oxidation av kolmonoxid, för reforming och som aktiv komponent i katalysatorer för vattenoxidering (OER) och andra redoxprocesser.
• Elektroder i batterier och superkondensatorer: används som anodmaterial i litiumjonbatterier (konversionsreaktioner) och i elektrokemiska energilagringsenheter.
• Gassensorer: materialet reagerar på reducerande gaser (t.ex. CO, H₂) och kan användas i resistiva sensorer.
• Föregångare för metallisk kobolt: i Fischer–Tropsch och andra katalysapplikationer kan Co₃O₄ reduceras till Co-metall som aktiv fas.
• Färgämne/keramik: ibland använt som pigment (kobolt-svart) och i keramiska beläggningar.

Säkerhet och miljö

Koboltföreningar kan vara skadliga vid inandning, förtäring eller långvarig hudkontakt. Vid hantering av pulver bör man använda personlig skyddsutrustning (handskar, andningsskydd vid dammbildning, skyddsglasögon). Kobolt är ett tungmetallelement och upprepad eller höga exponeringar kan leda till hälsoproblem; avfall ska omhändertas enligt lokala bestämmelser för farligt avfall.

Sammanfattning

Co₃O₄ är en viktig, välstuderad koboltoxid med spinelstruktur och blandade oxidationstal (Co(II) och Co(III)). Materialet kombinerar intressanta magnetiska och halvledande egenskaper med god katalytisk aktivitet, vilket gör det användbart inom energi, katalys och sensorteknik. Samtidigt kräver dess hantering respekt för säkerhets- och miljöaspekter.

Sök med bokstav