电化学方法视角之co

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1、电化学方法视角之Co第一章绪论1.1引言在诸多的过渡金属氧化物中，C0304材料是一种重要的半导体功能材料，具有其稳定的化学性质和特定的磁学性能，因此在许多领域有着重要的应用。例如在电能储存方面，C03O4因其较高的电化学储锂容量(890mAhgi)，因此作为锂离子电池负极材料具有重要的应用价值另外，C03O4有着优良的法拉第赝电容特性，因此可以作为电化学电容器材料进行开发[19_25]。在催化方面，C03O4对无机物诸如NOx的降解和NO、CO、NH3等的氧化具有较高的催化活性[26_44],另外，C03O4对多种有机物的氧化(或还原)都表现出

2、良好的催化活性[45-5i],如对某些院类、醇类、苯类等。另外，C03O4作为电极催化剂，在电化学催化方面也有着广泛的应用，例如C03O4材料能够有效降低电化学析氢、析氧的过电位[52-67],此外对H2O2等电化学还原表现出较高的催化活性再者，基于C03O4对特定化合物的催化活性，C03O4材料又可以作为传感器材料来探测该化合物的浓度[72-79]，诸如H2O2、CO、H2、C2H5OH等。在物理学方面，CO3O4又是一种良好的磁性材料，因此在场发射方面具有重要的应用价值近些年来，在材料制备方法和表征手段取得发展的基础上，材料科学特别是纳米材料

3、科学的研宄工作取得了重要进展。在此大背景下，各种各样C03O4纳米材料也相继被制备出来，其越来越改善的性能也多见诸报道。近十年来发展的C03O4制备方法主要包括化学沉积法、水热/溶剂热法、模板法、溶胶-凝胶法、电化学沉积法、化学气相沉积技术、雾化-热分解技术、原子层沉积技术等；所制备出的C03O4材料根据颗粒的形貌分包括零维的纳米立方、纳米球，一维的纳米线、纳米棒和纳米管，二维的纳米片，纳米带，及其它纳米结构等。根据产物存在状态分，所制备出的C03O4材料可分为粉末材料和薄膜材料。随着科技的日益发展，社会在能源存储、催化、环境污染治理、传感器、磁

4、性材料等领域对C0304材料的数量和质量必将有进一步的需求，因此开发新的C0304先进功能材料并研宄其相应的电磁性能具有重要的意义。本章将首先对C0304的物理化学基本性质进行介绍，然后结合近年来的文献报道对C0304在各个领域的应用及材料的研宄进展进行综合论述，并对制备CO3O4的方法和材料本身的发展做进一步探讨，并基于此提出本论文的研究思路和研究意义。1.2C03O4的基本物理化学性质C03O4分子量为240.79,理论钴含量为73.43%，含氧量为26.57%，是一种典型的P型半导体材料_。典型的C03O4具有正常的AB2O4型尖晶石晶体结

5、构[89]，其中，Co2二离子占据四面体位，Co3_离子占据八面体位,不同价态的钴离子的占位示意图如图1.1所示。C03O4在室温环境下十分稳定[92],高于1180K时C03O4逐渐被还原成CoO[93]。在诸多电能储存的电池材料中，锂离子电池因其高能量密度、高放电电压、低自放电率、无充放电记忆以及携带方便等优点从诸多的二次电池中脱颖而出，并且在现代社会中发挥着尤为重要的作用[94]。自1991年前后商业化的锂离子电池问世以来国内外研宄者投入了大量的经历对锂离子电池的正、负极材料进行研究，并不遗余力地开发出新材料以改善锂离子电池的安全性、循环寿

6、命、能量/功率密度等，同时降低其生产成本以提高其商业应用价值[94，97]。目前商业化锂离子电池主要以LiCoOz作为正极材料，以石墨类材料作为负极材料。虽然石墨材料是目前首选的负极材料，然而其在应用过程中存在如下问题首先，石墨材料的理论容量只有372mAhg-i(实际容量更低)，远低于当前社会发展的需求；其次，石墨材料长时间充-放电循环时容量的衰减较为严重，循环寿命有待于改善。再者，石墨材料高倍率放电时性能较差，比容量衰减严重，不能满足大电流放电的要求。基于石墨材料所存在的不足，开发电化学储裡容量高、循环稳定性好的非石墨材料具有重要的实际意义。

7、第二章实验部分2.1实验试剂和材料研究中所制备C03O4薄膜材料的形貌通过SEM进行观察。主要观察内容有：表面形貌、截面形貌以及能谱分析(EDX)。研究中所釆用的SEM测试所用仪器有：德国CarlZeiss公司的Ultra55场发射扫描电镜、荷兰FEI公司的SIRION场发射扫描电子显微镜、日本Hitachi公司的S-4800场发射扫描电子显微镜。形貌分析时加速电压为5kV，能谱分析测试时加速电压为15kV。如无特别说明，样品形貌观察时，其表面己通过溅射的方法在材料表面负载一层均勾的钼层(Pt，颗粒约8nm)以提高成像质量。对所制备C03O4颗粒

8、的微观形貌的观察是通过TEM实现的。主要观察内容有：颗粒微观形貌、高分辨图谱(HR-TEM)、线扫描能谱分析、面扫描能谱分析(Mappi