基于電化學(xué)方法的Co3O4納米薄膜材料制備及其性能研究.pdf

1、在諸多的過(guò)渡金屬氧化物中，Co3O4是一種重要的半導(dǎo)體功能材料，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和特定的磁學(xué)性能，因此在許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，諸如能量存儲(chǔ)、催化、傳感器、場(chǎng)發(fā)射材料以及電致變色裝置等，因此開發(fā)Co3O4先進(jìn)功能材料并研究其相應(yīng)的電磁性能具有重要的意義。
　　 近幾十年來(lái)在納米材料技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，研究者們通過(guò)多種制備途徑開發(fā)出形貌和尺寸多樣化的Co3O4納米材料，并報(bào)道了材料在不同應(yīng)用領(lǐng)域的性能。所采用的方法主要包括化學(xué)

2、沉淀法、水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法、模板法、電化學(xué)沉積法、化學(xué)氣相沉積法、原子層沉積、霧化-熱分解法等;所制備的Co3O4納米材料的形貌主要有納米線、納米棒、納米立方、納米管、納米帶、納米盤以及具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米材料;所制備材料的尺寸范圍分布很廣，從幾百納米到小于10納米不等。在此基礎(chǔ)上，研究者們還開發(fā)出Co3O4復(fù)合材料，典型的如Co3O4/C(C=石墨烯，其它碳材料等)、MxCo3-xO4(M=Ni，Zn，Mn等)等材料，以期提高材

3、料的性能。在諸多的報(bào)道中，具有吸引力和較高應(yīng)用價(jià)值的材料往往滿足如下特性之一:(a)具有特定形貌（如線狀、片狀）的納米材料;(b)小尺寸（高比表面積，強(qiáng)量子效應(yīng)）納米材料;(c)具有多孔結(jié)構(gòu)的納米材料;(d)具有獨(dú)立式(Freestanding)納米結(jié)構(gòu)的薄膜材料;(e)復(fù)合材料。具有以上單一特性的材料已多見諸報(bào)道，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)具有多種特性的Co3O4納米材料是一項(xiàng)艱巨而有意義的工作。另外，隨著科技的日益發(fā)展，社會(huì)在能量存儲(chǔ)、

4、催化、環(huán)境污染治理、傳感器、磁性材料等領(lǐng)域?qū)o3O4材料的數(shù)量和質(zhì)量必將有進(jìn)一步的需求，因此探索新的高產(chǎn)量、低成本、操作簡(jiǎn)便的制備路徑仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性并有前景的工作。
　　 基于電化學(xué)方法制備Co3O4納米材料具有操作簡(jiǎn)單、方法靈活、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，因此近些年逐漸成為研究的熱點(diǎn)之一。本論文從電化學(xué)的基本原理出發(fā)，以開發(fā)新型Co3O4納米薄膜材料為主要研究方向，探索基于電化學(xué)方法制備具有多種特性的Co3O4納米材料的新路徑，

5、并對(duì)所制備材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。本論文的主要研究工作如下:
　　 (1)以金屬鈷作為反應(yīng)原材料，通過(guò)堿液薄膜法制備出獨(dú)立式Co3O4六邊形納米薄膜材料。通過(guò)XRD、SEM和TEM手段對(duì)材料進(jìn)行了物理學(xué)表征，通過(guò)觀察進(jìn)一步證明出納米片內(nèi)部具有類似泡沫狀的多孔（介孔）結(jié)構(gòu)。在電化學(xué)測(cè)試中，所制備的Co3O4材料作為鋰離子電池負(fù)極材料，表現(xiàn)出較高的儲(chǔ)鋰容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性;作為電化學(xué)傳感器，該材料對(duì)的H2O2檢測(cè)表現(xiàn)出較高的靈

6、敏度。
　　 (2)基于電化學(xué)沉積/還原的方法制備了小尺寸獨(dú)立式Co3O4納米片薄膜材料。通過(guò)Ranman、XRD、XPS、SEM和TEM等手段對(duì)材料進(jìn)行了物理表征。作為電化學(xué)傳感器，該材料表現(xiàn)出良好的低濃度H2O2檢測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)1μmolL-1濃度的檢測(cè);作為催化材料，制備的獨(dú)立式小尺寸Co3O4納米片電極在電化學(xué)析氧中表現(xiàn)出良好的催化活性、穩(wěn)定性以及較高的活性物質(zhì)利用率。
　　 (3)基于電沉積方法制備了沉積均勻

7、、負(fù)載量可控的Co3O4薄膜，研究了不同負(fù)載質(zhì)量的Co3O4/ITO電極對(duì)電化學(xué)析氧催化的變化規(guī)律。通過(guò)EIS技術(shù)對(duì)電極在Tafel區(qū)的電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律進(jìn)行了表征，從而得到了電極活性隨Co3O4活性質(zhì)量的變化規(guī)律。
　　 (4)以陽(yáng)極氧化的TiO2納米管(內(nèi)徑～70nm，長(zhǎng)度5μm)序列為基體，通過(guò)光沉積的方法制備出Co3O4/TiO2納米管薄膜電極復(fù)合材料。通過(guò)XRD、SEM和TEM等手段對(duì)材料進(jìn)行了物理學(xué)表征。在電化學(xué)