Production of cobalt nanoparticles by hydrogen reduction method

Abstract

Työn tavoitteena oli tuottaa kobolttinanohiukkasia pelkistysmenetelmällä. Koboltti on ferromagneettinen materiaali ja siksi kobolttinanohiukkasilla on poikkeuksellisia magneettisia ominaisuuksia. Niille voi löytyä käyttöä muun muassa magneettisen tallentamisen tai magneettisen soluerottelun parista. Koboltti on myös laajalti käytetty katalyyttimateriaali ja kobolttinanohiukkasilla saattaa olla erinomaiset katalyyttiset ominaisuudet, sillä niiden pinta-ala suhteessa tilavuuteen on hyvin suuri. Useita menetelmiä kobolttinanohiukkasten tuotantoon on kokeiltu, mutta harvat ovat tarkasti kontrolloitavissa ja toimivat myös isoilla tuotantomäärillä. Yksi sellainen tekniikka on vetypelkistysreaktio, jota on käytetty tässä työssä.

Vetypelkistysmenetelmässä kobolttikloridilähtöaine höyrystetään ja sekoitetaan sitten vetykaasun kanssa. Nopea reaktio tuottaa kobolttia ja kloorivetyä. Koboltin saturaatiopaine on hyvin pieni reaktiolämpötilassa ja välitön nukleaatio tuottaa nanohiukkasia.

Kokeet tehtiin vaakaputkiuunissa. Kobolttikloridin syöttöön käytettiin kahta menetelmää; se höyrystettiin veneestä suoraan uunissa tai syötettiin ultraäänisumuttimen avulla vesiliuoksena.

Höyrystysvenekokoonpanolla tuotetut hiukkaset olivat pyöreitä ja niiden halkaisija oli noin 30 nm. Kokojakauma oli kapea. Hiukkasissa oli myös jonkin verran klooria. Sumutinkokoonpanolla tuotetut hiukkaset olivat puhdasta kobolttia. Niiden kokojakauma oli laaja kattaen alueen 10 nm - 1 µm.

Molemmissa kokoonpanoissa suurin ongelma oli, että vetyä kulkeutui liian lähelle uunin sisäänmenoa. Se aiheutti pelkistysreaktion osittain myös ennen kobolttikloridin haihtumista. Todennäköinen syy tähän on noste, joka pakotti vedyn uunin yläosiin.

Työn tavoite saavutettiin, kobolttinanohiukkasia tuotettiin. Jatkuva tuotanto oli mahdollista sumuttimen avulla, mikä on merkittävä parannus aikaisempiin menetelmiin. Jatkossa tuotantomenetelmää kehitetään tuotantomäärien kasvattamiseksi ja työssä ilmenneiden ongelmien ratkaisemiseksi. Työ on tehty VTT Prosessien Pienhiukkaset ja katalyytit -ryhmässä.