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Natrium-Cobalt(III)-oxid

chemische Verbindung

Natrium-Cobalt(III)-oxid ist eine chemische Verbindung von Natrium, Cobalt und Sauerstoff. Cobalt und Sauerstoff bilden dabei Cobaltoxid-Ebenen zwischen denen Natrium-Ionen eingelagert sind.

Kristallstruktur
Lithium-Cobalt(III)-oxid
_ Na+ 0 _ Co3+0 _ O2−
Allgemeines
Name Natrium-Cobalt(III)-oxid
Andere Namen
  • Natrium-Cobalt-Dioxid
  • Natriumcobaltoxid
  • Natriumkobaltoxid
Verhältnisformel NaCoO2
Kurzbeschreibung

schwarzer Feststoff[1]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer
  • 39455-58-8
  • 595564-41-3 (Hydrat)
  • 108159-17-7 (x=0,6)
  • 118392-28-2 (x=0,64-0,74)
  • 121091-71-2 (x=0,67)
  • 153590-08-0 (x=0,77)
Wikidata Q31841811
Eigenschaften
Molare Masse 113,919 g·mol−1
Aggregatzustand

fest[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine Einstufung verfügbar[2]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Herstellung

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Verschiedene Natrium-Cobalt(III)-oxid-Phasen können durch Reaktion von Natriumperoxid oder Natriumhydroxid und Cobalt(II,III)-oxidpulver bei Temperaturen von 450 bis 750 °C dargestellt werden. Um Phasen mit x gleich 0,60, 0,77 und 1 zu erhalten sollte die Temperatur bei 550 °C liegen, für Phasen im Bereich zwischen 0,64 und 0,74 bei 750 °C.[1][3]

 

Die Verbindung kann auch durch Reaktion von Natriumcarbonat mit Cobalt(II,III)-oxid bei 750 °C gewonnen werden.[4]

Eigenschaften

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Natrium-Cobalt(III)-oxid ist ein sehr feuchtigkeitsempfindlicher schwarzer Feststoff.[1] Es leitet Wärme nur schlecht, ist aber ein guter elektrischer Leiter.[5] Die Verbindung hat eine Schichtstruktur bei der sich Schichten aus Natriumatomen mit solchen aus Kobalt und Sauerstoff abwechseln. Von der Struktur, die eine CoO2-Schicht umfasst, worin CoO6-Oktraeder, die jeweils ein mit sechs Sauerstoffatomen koordiniertes Cobaltatom aufweisen, in einer kantenverknüpften Weise verbunden sind, wurde 1973 der α-Typ (rhomboedrisches System), der α'-Typ (monoklines System), der β-Typ (orthorhombisches System) und der γ-Typ (hexagonales System) entdeckt.[6][7] Der α'-Typ hat eine Struktur mit der Raumgruppe R3m (Raumgruppen-Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166, γ-Typ hat eine Struktur mit der Raumgruppe P63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194, Na0,5CoO2 hat eine Struktur mit der Raumgruppe Pmmn (Raumgruppen-Nr. 59)Vorlage:Raumgruppe/59, Na0,75CoO2 hat eine monokline Kristallstruktur mit der Raumgruppe C2/m (Raumgruppen-Nr. 12)Vorlage:Raumgruppe/12. Das supraleitende Hydrat hat eine hexagonale Struktur mit der Raumgruppe P63/mmcVorlage:Raumgruppe/194.[8]

Anwendung

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Die regelmäßige Struktur aus Natriumatomen im Nanometerbereich macht Natriumkobaltoxid zu einem Kandidat für Laptop-Batterien, effizienter thermoelektrischer Kühlsysteme oder Supraleitern.[5][9][10]

Batterien

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Verschiedene Phasen von Natriumcobaltoxid zeigen eine elektrochemische Aktivität und sind deshalb als Kathodenmaterial für Interkalationsbatterien nutzbar[11]. Insbesondere die P2 Phase ist über einen weiten Bereich reversibel Interkalierbar. Es zeigen sich verschiedene Phasenübergänge, welche zu stufenartigen Änderungen des Potentials gegenüber metallischem Natrium führen[12].

Supraleitung

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Durch Substitution eines gewissen Anteils der Natriumionen mit Wasser lässt sich der Abstand der Cobaltoxidebenen deutlich vergrößern[13][14] Dies führt zu supraleitenden Eigenschaften des Hydrats von Natriumcobaltoxid. Variation des Natrium- und Wassergehalts zwischen den Cobaltoxidebenen führt zu einer Elektronendotierung der Cobaltatome, was die supraleitenden Eigenschaften beeinflusst.[14] Das Hydrat Na0,3CoO2 · 1,3H2O zeigt ein Maximum der Sprungtemperatur Tc mit 4,3 K[14].

Thermoelektrizität

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Natriumcobaltoxid zeigt ausgeprägte thermoelektrische Eigenschaften[15][16]. Verglichen mit einem konventionellen Thermoelektrikum (Bismuttellurid) zeigt, dass der Seebeckkoeffizient von NaCoO2 nur etwa halb so groß ist – aufgrund des geringeren elektrischen Widerstands ist NaCoO2 trotzdem interessant für thermoelektrische Anwendungen.[16] Untersuchungen zur Abhängigkeit der thermoelektrischen Eigenschaften vom Interkalationsgrad zeigen ein Maximum des Seebeckkoeffizienten bei x > 0,5 und Temperaturen von etwa 100 K[17].

Einzelnachweise

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  1. ↑ a b c d Smith L. Holt: Inorganic Syntheses, Band 22. John Wiley & Sons, 2009, ISBN 0-470-13288-4, S. 56 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. ↑ Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
  3. ↑ Yuechuan Lei, Xin Li, Lei Liu, Gerbrand Ceder: Synthesis and Stoichiometry of Different Layered Sodium Cobalt Oxides. In: Chemistry of Materials. 26, 2014, S. 5288, doi:10.1021/cm5021788.
  4. ↑ AGH University of Science and Technology: Sodium cobalt oxide as functional material
  5. ↑ a b organische-chemie.ch: Natriumkobaltoxid in Akkus, als Kühlmittel oder Supraleiter, abgerufen am 5. Juni 2017
  6. ↑ M. Roger, D. J. P. Morris, D. A. Tennant, M. J. Gutmann, J. P. Goff, J.-U. Hoffmann, R. Feyerherm, E. Dudzik, D. Prabhakaran, A. T. Boothroyd, N. Shannon, B. Lake, P. P. Deen: Patterning of sodium ions and the control of electrons in sodium cobaltate. In: Nature. 445, 2007, S. 631, doi:10.1038/nature05531.
  7. ↑ Patent DE602004008040T2: Natrium-Kobaldoxid-Hydrat. Angemeldet am 21. Januar 2004, veröffentlicht am 8. Mai 2008, Anmelder: National Institute for Material Science, Erfinder: Kazunori Takada et al.‌
  8. ↑ University of Wollongong: Crystal growth, magnetism, transport and superconductivity of two dimensional sodium cobalt oxide single crystals, Chen, Dapeng
  9. ↑ K. Takada, H. Sakurai, E. Takayama-Muromachi, F. Izumi, R. A. Dilanian, T. Sasaki: A New Superconducting Phase of Sodium Cobalt Oxide. In: Advanced Materials. 16, 2004, S. 1901, doi:10.1002/adma.200400756.
  10. ↑ Nur Khairani Samin, Roshidah Rusdi, Norashikin Kamarudin, Norlida Kamarulzaman: Synthesis and Battery Studies of Sodium Cobalt Oxides, NaCoO2 Cathodes. In: Advanced Materials Research. 545, 2012, S. 185, doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.545.185.
  11. ↑ J. J. Braconnier, C. Delmas, C. Fouassier, P. Hagenmuller: Electrochemical behavior of the phases NaxCoO2 In: Materials Research Bulletin 12, 1980, S. 1797-1804, doi:10.1016/0025-5408(80)90199-3.
  12. ↑ R. Berthelot, D. Carlier, C. Delmas: Electrochemical investigation of the P2–NaxCoO2 phase diagram In: Nature Materials 1, 2010, S. 74-80, doi:10.1038/nmat2920.
  13. ↑ K. Takada, H. Sakurai, E. Takayama-Muromachi, F. Izumi, R. A. Dilanian, T. Sasaki: Superconductivity in two-dimensional CoO2 layers In: Nature 6927, 2003, S. 53-55, doi:10.1038/nature01450.
  14. ↑ a b c R. E. Schaak, T. Klimczuk, M. L. Foo, R. J. Cava: Superconductivity phase diagram of NaxCoO2·1.3H2O In: Nature 6948, 2003, S. 527-530, doi:10.1038/nature01774.
  15. ↑ J. Molenda, C. Delmas, P. Dordor, A. Stoklosa: Transport properties of NaxCoO2-y In: Solid State Ionics 12, 1984, S. 473-477, doi:10.1016/0167-2738(84)90180-2.
  16. ↑ a b I. Terasaki, Y. Sasago, K. Uchinokura: Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals In: Physical Review B 56, 1997, S. R12685-R12687, doi:10.1103/PhysRevB.56.R12685.
  17. ↑ M. Lee, L. Viciu, L. Li, Y. Wang, M. L. Foo, S. Watauchi, R. A. Pascal, R. J. Cava, N. P. Ong: Large enhancement of the thermopower in Na(x)CoO2 at high Na doping In: nature materials 5, 2006, S. 537-540, doi:10.1038/nmat1669.
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