三氧化二钴（Co₂O₃，CAS 1308-04-9）是钴系氧化物中具有明确晶体化学特征的一种物料。Co³⁺在氧化物晶格中具有强烈的八面体配位倾向，因此Co₂O₃的晶体结构由氧离子密堆积形式和八面体空位的有序分布共同决定。按结晶学分类，Co₂O₃常见晶型为α型和β型。α-Co₂O₃是常规商品粉体和固相合成产物中的主要晶相；β-Co₂O₃为亚稳相，需要在受控合成条件下获得。
α-Co₂O₃的晶体结构
α-Co₂O₃为刚玉型结构，空间群为R-3c（No. 167）。氧离子O²⁻按ABAB方式作六方密堆积，Co³⁺占据其中2/3的八面体空隙。每个Co³⁺与六个O²⁻构成近乎规则的CoO₆八面体，八面体之间通过共棱和共角方式连接，形成稳定的三维网络。
该结构与α-Al₂O₃、α-Fe₂O₃同型，因此XRD谱形也表现出刚玉型氧化物的共同特征，即一组以（104）、（110）、（113）、（116）为主的衍射峰。
α-Co₂O₃的XRD特征峰
以Cu Kα辐射（λ=0.15406 nm）为基准，α-Co₂O₃的特征衍射峰如下：
| 晶面指数 | 2θ/° | d/nm |
|---|---|---|
| 012 | 24.6 | 0.362 |
| 104 | 33.5 | 0.268 |
| 110 | 36.2 | 0.248 |
| 113 | 41.5 | 0.217 |
| 024 | 50.3 | 0.181 |
| 116 | 54.9 | 0.167 |
| 214 | 63.6 | 0.146 |
| 300 | 65.4 | 0.143 |
其中，33.5°、36.2°和41.5°三组峰的组合是α-Co₂O₃的指纹区。出现这三组峰时，可判定样品中存在α-Co₂O₃晶相。
β-Co₂O₃的晶体结构与XRD特征峰
β-Co₂O₃为立方铁锰矿型结构，即bixbyite型结构，空间群为Ia-3（No. 206）。O²⁻按ABC方式作立方密堆积，Co³⁺占据两类由共边和共角八面体连接形成的八面体空隙。该结构的衍射峰与α型明显不同，最显著区别是在23.1°附近出现211衍射峰，而α型在该位置没有衍射峰。
β-Co₂O₃的常用XRD特征峰如下：
| 晶面指数 | 2θ/° | d/nm |
|---|---|---|
| 211 | 23.1 | 0.385 |
| 222 | 32.9 | 0.272 |
| 400 | 38.2 | 0.236 |
| 332 | 45.1 | 0.201 |
| 431 | 49.2 | 0.185 |
| 440 | 55.2 | 0.166 |
| 622 | 65.6 | 0.142 |
β-Co₂O₃的222衍射峰位于32.9°，与α-Co₂O₃的104衍射峰位置接近，因此在物相判别时不能只依赖32°~34°区间的单独峰，必须结合23.1°、38.2°和45.1°处的峰进行综合判断。
XRD物相判别要点
在实际XRD分析中，Co₂O₃常与Co₃O₄、CoO共存。Co₃O₄为尖晶石型结构，其最强峰位于36.8°附近，且在59.4°和65.2°处有明显衍射峰。若样品在33.5°和41.5°处无衍射峰，而36.8°、59.4°、65.2°处出现强峰，则主相为Co₃O₄，而不是Co₂O₃。CoO为岩盐型结构，其最强峰位于42.4°附近，与Co₂O₃的113峰分离清晰，不会造成误判。
α-Co₂O₃在热处理温度超过其分解温度时，会分解放出O₂并生成Co₃O₄。因此，煅烧后样品的XRD谱图中出现Co₃O₄衍射峰属于正常的相变结果，不能作为原始物相为纯Co₂O₃的依据。通过XRD晶面间距和峰位匹配，可以准确区分α-Co₂O₃、β-Co₂O₃、Co₃O₄和CoO。