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测试技巧 | TGA-MS定量分析钴粉中氧化钴的含量

时间：2024-01-08 阅读：645

TGA-MS定量分析钴粉中氧化钴的含量

引言

钴是一种重要的工业原料，其广泛应用于冶金、电子、陶瓷等领域。钴在空气中可迅速氧化为氧化钴（Co3O4），为了防止氧化，常常在其表面涂覆一层非常薄的石蜡、聚乙二醇或聚乙烯保护膜，尽管有保护涂层，长时间在空气中久置后其仍然会形成氧化钴。氧化钴的性质虽然稳定，但其应用受到较大限制。因此，钴金属中氧化钴含量的测量就尤为重要。

实验部分

氧化钴的含量可以通过梅特勒托利多热重分析仪与质谱仪联用（TGA-MS）来确定。TGA与MS联用的工作原理如图1所示。从TGA出气口进入电离室的气体分子受到电子的轰击，分子被电离并形成带正电荷的分子离子和许多碎片离子，之后进入交变电磁场，即所谓的质量过滤器，该电磁场分离离子，以便在任何时刻只有特定质荷比（m/z）的离子到达检测器。通过过滤器后，特定m/z的离子到达检测器，并测量其强度。钴粉在惰性氢气气氛（4%H2-96%Ar）中加热。

图1 TGA与MS联用结构图

结果分析

图2显示了TGA-MS测量曲线，该图显示了TGA和DTG（一阶导数）曲线以及氢（m/z 2）、水（m/z 18）和CO2（m/z 44）的MS曲线。TGA曲线上可以看到三个质量损失步骤，第一步对应于水分的损失；第二步主要是由于样品中氧化钴的还原，该过程消耗氢气并产生水作为反应产物（m/z 2信号减少时为“负”峰，m/z 18信号增加时为“正”峰），同时，部分涂层会降解（m/z 44曲线上的信号），涂层的其余部分从大约400°C开始分解，主要产生CO2。然而，由于涂层的分解失重和氧化钴的还原失重过程重叠。因此，样品中氧化钴的含量无法通过TGA测量可靠地确定。

图2 钴金属粉末在H2-Ar混合气体中的TGA-MS测试图

然而，如果我们知道减少已知量的氧化钴需要多少氢气，则可以确定氧的含量。在这个实验中，氧化钴被氢还原成金属钴。这可以从 m/z 2 和 m/z 18 的相反 MS 曲线中看出。

图3显示，还原42.75 mg Co3O4需要321.5 nsA的氢当量（m/z 2曲线中宽峰的积分）。图2中的MS曲线显示，需要13.28 nsA的氢当量来减少钴粉中存在的Co3O4。该计算结果给出钴粉样品中Co3O4的质量为1.77mg Co3O4，对应于Co3O4含量为1.44%。

图3 氧化钴在H2-Ar混合气体中的TGA-MS测试图

总结

热重分析仪与质谱仪联用（TGA-MS）可用于未知样品逸出气体的定性测试，如果同时能找到已知成分标准物质，则可用于定量计算目标产物的具体含量，即可同时实现定性和定量分析。