镍钴草酸盐制备中的形貌与粒度控制

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研究了镍、钴草酸盐制备中的形貌与粒度控制,包括三方面内容:凝胶—溶胶法制备单分散草酸镍粉末;纤维状草酸镍的形成机理及其形貌与粒度控制;纤维状草酸钴的形成机理及其形貌与粒度控制。研究中,采用SEM、XRD、FTIR、TGA—DTA、GCMS等方法,对粉末样品进行表征。1)凝胶—溶胶法制备单分散草酸镍粉末提出了一种凝胶—溶胶法制备单分散草酸镍的方法,由Ni(OH)2凝胶生成—NiC2O4·2H2O颗粒形核—凝胶(Ni(OH)2)向溶胶(NiC2O4·2H2O)转化3个步骤组成。制备的草酸镍为单斜晶型α-NiC2O4·2H2O,具有菱柱体形貌,底面菱形的夹角分别为106°和74°;随条件变化,粉末D50值可在0.3~3.0μm间调节,单分散性σ值可达1.10。实验证实,粉末颗粒的形成机理为溶解—再结晶。过程中,Ni(OH)2凝胶包覆在NiC2O4·2H2O颗粒表面,既作为Ni2+的“缓释源”;又起到了阻隔颗粒碰撞团聚的作用。实验研究了温度、起始NiCl2浓度、表面活性剂、Na2C2O4加入量及NaOH浓度的影响,揭示了Gel-sol法制备草酸镍中,形貌与粒度控制的主要规律:(1)在实验研究的条件范围内,制备的颗粒形貌均为菱柱状,粒度在0.6μm以上时,轴向比在0.5左右波动;(2)颗粒生长中,在偏高的过饱和度下,二次异相晶核与母晶的融合生长以及颗粒的孪晶生长,使颗粒呈现类似多颗粒团聚体形貌且尺度超大;(3)粉末粒度主要取决于颗粒形核及生长过饱和度,形核过饱和度高,晶核数多,粉末粒度细小;生长过程中,若过饱和度控制偏高,在颗粒长大的同时,伴随着异相形核大量发生,形成的二次晶核或与母晶融合生长,或脱离母晶独立生长,使得粉末平均粒度增大或减小,粒度分布变宽。(4)生长过程的过饱和度及其稳定性,主要决定于NiC2O4·2H2O结晶反应速率,因此,往往与晶核数的多少密切相关,形核过饱和度大,形成的晶核数多,颗粒表面积大,生长反应(即NiC2O4·2H2O的结晶)速度快,过程中Ni(OH)2与H2C2O4离解产生的Ni2+与C2O42-在系统中无累积,颗粒在低的过饱和度下生长,有利于得到单分散性好的粉末。2)纤维状草酸镍的形成机理及其形貌与粒度控制采用Na2C2O4溶液与XiCl2和NH3·H2O混合溶液并流加料合成的方法,研究了纤维状草酸镍的制备。研究证实,在Ni2+-NH3-H2O体系碱性条件下,Ni(Ⅱ)离子以Ni(NH3n2-(n=0,1,2,...,6)形态存在,改变了草酸镍的沉淀形态及其形核与生长过饱和度,是草酸镍形成长纤维状形貌的内在原因。研究发现,在Ni2+-NH3-C2O42--H2O系中,依条件不同,可形成系列Ni(NH3nC2O4·2H2O(n=0,0.5,1.0,1.5,2.0,...),其中,n值为0时,即为α-NiC2O4·2H2O,其余均为JCPDS尚无卡片的含NH3草酸镍新化合物,对n值为0.5,1.0,1.5,2.0的4种,已制备出较纯的样品,确定其分子式及XRD图谱与数据。研究发现,在Ni2+-NH3-C2O42--H2O体系碱性条件下,初生沉淀一般是数种Ni(NH3nC2O4·2H2O(n=0.5,1.0,1.5,2.0,...)的混合物,形貌为细小晶体团聚体,陈化中,不同化合物间因溶解度差别使其发生溶解—再结晶,溶解度大的化合物溶解,源源不断提供结晶物质,使溶解度较小的化合物在低过饱和度下生长,形成大轴向比纤维状形貌颗粒。研究发现,在Ni2+-NH3-C2O42--H2O体系碱性条件下,实验研究的范围内,Ni(NH31.5C2O4·2H2O是稳定性最高的物相,充分陈化后,往往是体系中唯一存在的草酸镍化合物。研究发现,生长与颗粒间沿长轴方向的取向聚并融合,是颗粒长大的方式。研究了温度、pH值、加料速度、浓度、[NH3]T/[Ni]T摩尔比、表面活性剂及其添加量、搅拌等对颗粒形貌与粒度的影响,主要结论为:(1)草酸镍化合物种类是决定颗粒形貌与粒度的最主要因素;(2)提高陈化中溶解—再结晶速度,有利于得到物相单一,形貌规整,轴向比大的粉末;(3)不同条件下,颗粒形核与生长过饱和度改变,也会对粉末形貌与粒度产生一定影响;(4)适量添加PVP25有利于大轴向比纤维状草酸镍的制备。3)纤维状草酸钴的形成机理及其形貌与粒度控制采用CoCl2溶液与(NH42C2O4和NH3·H2O混合溶液并流加料合成的方法,研究了纤维状草酸钴的制备。研究证实,在Co2+-NH3-H2O体系碱性条件下,Co(Ⅱ)离子以Co(NH3n2-(n=0,1,2,...,6)形态存在,改变了草酸钴的沉淀形态及其形核与生长过饱和度,是草酸钴形成长纤维状形貌的内在原因。研究发现,在Co2+-NH3-C2O42--H2O体系中,依条件不同,可形成两种草酸钴,其一为β-CoC2O4·2H2O;第二种为Co(NH31.5C2O4·2H2O,是一种JCPDS尚无卡片的含NH3草酸钴新化合物,已确定其分子式及XRD图谱与数据。研究发现,生长与颗粒间沿长轴方向的取向聚并融合,是颗粒长大的方式。研究了温度、pH值、加料速度、浓度、PVP25添加等对颗粒形貌与粒度的影响,主要结论为:(1)草酸钴化合物种类是决定颗粒形貌与粒度的最主要因素;(2)不同条件下,颗粒形核与生长过饱和度改变,会对粉末形貌与尺度产生一定影响;(3)陈化中草酸钴化合物种类并无改变,尺度不同的颗粒问按Ostwald陈化机理发生溶解与再结晶,对颗粒形貌与粒度产生影响。(4)PVP25的添加对颗粒形貌与粒度影响并不显著。
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