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        高電化學(xué)活性Co3O4納米材料研究進(jìn)展

        2016-12-31 00:00:00王慧娟
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年25期

        摘 要:Co3O4納米材料在電化學(xué)領(lǐng)域具有越來(lái)越重要的應(yīng)用價(jià)值,相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)因此受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。文章主要從Co3O4納米材料的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及分類(lèi),產(chǎn)品應(yīng)用需求及開(kāi)發(fā)熱點(diǎn),以及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)不足與改進(jìn)策略等方面進(jìn)行了綜述,著重關(guān)注產(chǎn)品的電化學(xué)產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題,進(jìn)一步對(duì)下一代Co3O4新產(chǎn)品的研發(fā)方向提出了建議。

        關(guān)鍵詞:Co3O4;納米產(chǎn)品;高活性;電化學(xué)產(chǎn)業(yè)

        1 背景介紹

        Co3O4產(chǎn)品在社會(huì)電化學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在目前眾多的電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域里,如電化學(xué)儲(chǔ)能(鋰離子電池,超級(jí)電容器等),電化學(xué)催化(電解工程,電化學(xué)合成工業(yè)等),電化學(xué)檢測(cè)(傳感器,報(bào)警器等),Co3O4產(chǎn)品都表現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值,因此在當(dāng)前以及未來(lái)數(shù)十年,Co3O4產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研究是一項(xiàng)重要課題。隨著國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的不斷支持以及對(duì)高效節(jié)能產(chǎn)品的強(qiáng)烈呼吁,具有高電化學(xué)活性的Co3O4產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)勢(shì)必成為必然的發(fā)展方向。

        2 Co3O4產(chǎn)品開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及分類(lèi)

        2.1 Co3O4開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

        目前Co3O4產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)可以分為兩大類(lèi)別:第一類(lèi)為產(chǎn)業(yè)化的Co3O4粉體材料的開(kāi)發(fā),此類(lèi)產(chǎn)業(yè)的共同特點(diǎn)為:產(chǎn)品活性滿(mǎn)足當(dāng)前電化學(xué)產(chǎn)業(yè)最低需求,生產(chǎn)成本低廉,然而不足之處為產(chǎn)品種類(lèi)單一,難以滿(mǎn)足電化學(xué)各領(lǐng)域的特定需求;第二類(lèi)為基于實(shí)驗(yàn)室條件下的高電化學(xué)活性Co3O4納米產(chǎn)品開(kāi)發(fā),該領(lǐng)域的主要特點(diǎn)為:產(chǎn)品具有高電化學(xué)活性,種類(lèi)多樣并能滿(mǎn)足不同電化學(xué)領(lǐng)域的特定需求,然而不足之處在于生產(chǎn)工藝產(chǎn)業(yè)化難度大,成本高。相比之下,后者在使用性能方面更具有較大的應(yīng)用潛力,是未來(lái)下一代Co3O4的必然選擇。

        2.2 Co3O4納米產(chǎn)品分類(lèi)

        從電化學(xué)領(lǐng)域的需求出發(fā),我們這里可以從三個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有的Co3O4納米產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)。第一方面,按照產(chǎn)品的功能要求,可以分為質(zhì)量關(guān)聯(lián)型產(chǎn)品和比表面關(guān)聯(lián)型產(chǎn)品。質(zhì)量關(guān)聯(lián)型Co3O4納米產(chǎn)品主要應(yīng)用于電能存儲(chǔ)方面,產(chǎn)品的儲(chǔ)電容量與產(chǎn)品的物理重量表現(xiàn)為線(xiàn)性正比關(guān)聯(lián);比表面關(guān)聯(lián)型Co3O4納米產(chǎn)品主要應(yīng)用于電化學(xué)催化或檢測(cè)等方面,此類(lèi)產(chǎn)品的活性與產(chǎn)品的物理重量無(wú)必然聯(lián)系,卻與產(chǎn)品的比表面表現(xiàn)出一定的正比例關(guān)系。第二方面,按照產(chǎn)品的存在形態(tài),可以分為離散態(tài)粉體產(chǎn)品和固定附著態(tài)薄膜產(chǎn)品。離散態(tài)粉體產(chǎn)品在使用時(shí)需要通過(guò)粘結(jié)技術(shù)與導(dǎo)電基體固定,附著態(tài)薄膜產(chǎn)品由于直接生長(zhǎng)在特定基體上,基本可以直接使用。第三方面,根據(jù)產(chǎn)品基本構(gòu)成顆粒的尺寸分布,可以分為微納級(jí)材料(數(shù)百納米或微米級(jí)以上),納米級(jí)材料(100納米以?xún)?nèi))和超薄納米材料(10納米以?xún)?nèi))。從物理學(xué)基本原理可以知道,材料的尺寸越小,表面吉布斯自由能越高,表現(xiàn)在電化學(xué)方面其活性一般也認(rèn)為越高。

        3 Co3O4納米產(chǎn)品應(yīng)用需求及開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)

        3.1 Co3O4納米產(chǎn)品應(yīng)用需求方向

        從電化學(xué)應(yīng)用角度講,Co3O4納米產(chǎn)品的應(yīng)用需求存在如下幾個(gè)大的方向。在能量存儲(chǔ)方面,由于其本質(zhì)是依賴(lài)于材料的電化學(xué)氧化還原反應(yīng),因此需要產(chǎn)品的顆粒適中不易團(tuán)聚,顆粒本身電子導(dǎo)電性好,反應(yīng)內(nèi)阻小,利于離子擴(kuò)散,產(chǎn)品骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,能承受較大程度的體積膨脹-收縮(對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能和放能過(guò)程);在電化學(xué)催化方面,需要產(chǎn)品的比表面積大,產(chǎn)品與基體結(jié)合力好,表面特定活性催化位點(diǎn)比例高;在電化學(xué)檢測(cè)方面,要求材料的表面狀態(tài)分布均一性高,對(duì)特定粒子的檢測(cè)識(shí)別位點(diǎn)比例高,材料熱力學(xué)穩(wěn)定性好,可重復(fù)性好。

        3.2 Co3O4納米產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)

        近十年來(lái),Co3O4產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室階段的開(kāi)發(fā)與研究工作取得了極大的進(jìn)展,其相關(guān)的報(bào)道近幾年呈現(xiàn)指數(shù)性增長(zhǎng)。當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)室Co3O4納米產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)上存在如下兩個(gè)主要研究熱點(diǎn):其一,基于不同的制備路徑以獲得不同結(jié)構(gòu)的Co3O4納米產(chǎn)品,從而改善產(chǎn)品的電化學(xué)性能。對(duì)尺寸在10-100納米的一般性Co3O4一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與性能研究則成為該項(xiàng)工作的主要特點(diǎn)。其二,基于一般性納米材料(指顆粒尺寸在10-100納米)存在的活性不足的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者又將該產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)一步推進(jìn)至超?。?0納米以?xún)?nèi))級(jí)別,這成為了該材料開(kāi)發(fā)的另一熱點(diǎn)領(lǐng)域。相較于一般性納米材料,超薄Co3O4產(chǎn)品由于其明顯的量子尺寸效應(yīng)和超高的表面能,其活性大大提高。

        4 Co3O4納米產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不足與改進(jìn)策略

        4.1 Co3O4納米產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不足

        目前Co3O4納米產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)存在如下主要不足:首先,絕大多數(shù)Co3O4納米產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段,成本控制與產(chǎn)業(yè)工藝研究存在明顯的滯后;其次,Co3O4納米產(chǎn)品的種類(lèi)雖然實(shí)現(xiàn)多樣化,但低成本路徑的開(kāi)發(fā)問(wèn)題亟待解決,否則會(huì)嚴(yán)重影響未來(lái)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程;再者,當(dāng)前Co3O4納米產(chǎn)品的商業(yè)轉(zhuǎn)化率低,企業(yè)對(duì)新產(chǎn)品的需求意識(shí)不強(qiáng),導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)在發(fā)展動(dòng)力不足;最后,國(guó)家在該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的各項(xiàng)激勵(lì)政策有待于進(jìn)一步轉(zhuǎn)變。

        4.2 Co3O4納米產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的改進(jìn)策略

        根據(jù)當(dāng)前Co3O4納米產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不足,在未來(lái)的研究中相應(yīng)的改進(jìn)策略為:首先,應(yīng)注重低成本、高活性Co3O4納米產(chǎn)品制備路徑的開(kāi)發(fā);其次,科研機(jī)構(gòu)應(yīng)吸收更多的企業(yè)參與相關(guān)工作,并提出產(chǎn)業(yè)化建議;再者,國(guó)家從政策層面給予更多的鼓勵(lì)和支持。

        5 前景展望

        高電化學(xué)活性的Co3O4納米產(chǎn)品在未來(lái)的電化學(xué)產(chǎn)業(yè)中有極大的應(yīng)用潛力,因此開(kāi)發(fā)多樣化的納米產(chǎn)品以滿(mǎn)足電化學(xué)不同應(yīng)用方向的需求是未來(lái)該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)。此外,針對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的瓶頸,在未來(lái)的研發(fā)中,進(jìn)一步降低納米產(chǎn)品的制備價(jià)格,拓寬產(chǎn)業(yè)化制備工藝是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的工作。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,高電化學(xué)活性Co3O4納米產(chǎn)品必然會(huì)逐步融入電化學(xué)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)程之中。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]樊玉欠,王慧娟,邵光杰,等.一種氫氧化鈷薄膜的制備方法[P].CN201410122323.8.

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        作者簡(jiǎn)介:王慧娟(1984-),女,漢族,山東泰安市,燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娀瘜W(xué)。

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