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.
Herstellung 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.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, .
Die Verbindung kann auch durch Reaktion von Natriumcarbonat mit Cobalt(II,III)-oxid bei 750 °C gewonnen werden.AGH University of Science and Technology: Sodium cobalt oxide as functional material
Eigenschaften Natrium-Cobalt(III)-oxid ist ein sehr feuchtigkeitsempfindlicher schwarzer Feststoff. Es leitet Wärme nur schlecht, ist aber ein guter elektrischer Leiter. 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.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, . Der α'-Typ hat eine Struktur mit der , γ-Typ hat eine Struktur mit der , Na0,5CoO2 hat eine Struktur mit der , Na0,75CoO2 hat eine monokline Kristallstruktur mit der . Das supraleitende Hydrat hat eine hexagonale Struktur mit der Raumgruppe .University of Wollongong: Crystal growth, magnetism, transport and superconductivity of two dimensional sodium cobalt oxide single crystals, Chen, Dapeng
Anwendung Die regelmäßige Struktur aus Natriumatomen im Nanometerbereich macht Natriumkobaltoxid zu einem Kandidaten für Laptop-Batterien, effizienter thermoelektrischer Kühlsysteme oder Supraleitern.organische-chemie.ch: Natriumkobaltoxid in Akkus, als Kühlmittel oder Supraleiter, abgerufen am 5. Juni 2017K. 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, .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, .
Batterien Verschiedene Phasen von Natriumcobaltoxid zeigen eine elektrochemische Aktivität und sind deshalb als Kathodenmaterial für Interkalationsbatterien nutzbar.J. J. Braconnier, C. Delmas, C. Fouassier, P. Hagenmuller: Electrochemical behavior of the phases NaxCoO2. In: Materials Research Bulletin 12, 1980, S. 1797–1804, . 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.R. Berthelot, D. Carlier, C. Delmas: Electrochemical investigation of the P2–NaxCoO2 phase diagram. In: Nature Materials 1, 2010, S. 74–80, .
Supraleitung Durch Substitution eines gewissen Anteils der Natriumionen mit Wasser lässt sich der Abstand der Cobaltoxidebenen deutlich vergrößern.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, .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, . 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. Das Hydrat Na0,3CoO2 · 1,3H2O zeigt ein Maximum der Sprungtemperatur Tc mit 4,3 K.
Thermoelektrizität Natriumcobaltoxid zeigt ausgeprägte thermoelektrische Eigenschaften.J. Molenda, C. Delmas, P. Dordor, A. Stoklosa: Transport properties of NaxCoO2-y. In: Solid State Ionics 12, 1984, S. 473–477, .I. Terasaki, Y. Sasago, K. Uchinokura: Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals. In: Physical Review B 56, 1997, S. R12685-R12687, . Ein Vergleich 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. Untersuchungen zur Abhängigkeit der thermoelektrischen Eigenschaften vom Interkalationsgrad zeigen ein Maximum des Seebeckkoeffizienten bei x > 0,5 und Temperaturen von etwa 100 K.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, .
Einzelnachweise
Kategorie:Natriumverbindung Kategorie:Cobaltverbindung Kategorie:Sauerstoffverbindung