高電化學(xué)活性Co3O4納米材料研究進(jìn)展

摘 要：Co3O4納米材料在電化學(xué)領(lǐng)域具有越來越重要的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)因此受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。文章主要從Co3O4納米材料的開發(fā)現(xiàn)狀及分類，產(chǎn)品應(yīng)用需求及開發(fā)熱點(diǎn)，以及產(chǎn)品開發(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)前以及未來數(shù)十年，Co3O4產(chǎn)品的開發(fā)和研究是一項(xiàng)重要課題。隨著國家對(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)品的開發(fā)勢(shì)必成為必然的發(fā)展方向。

2 Co3O4產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀及分類

2.1 Co3O4開發(fā)現(xiàn)狀

目前Co3O4產(chǎn)品的開發(fā)可以分為兩大類別：第一類為產(chǎn)業(yè)化的Co3O4粉體材料的開發(fā)，此類產(chǎn)業(yè)的共同特點(diǎn)為：產(chǎn)品活性滿足當(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)品種類單一，難以滿足電化學(xué)各領(lǐng)域的特定需求；第二類為基于實(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，種類多樣并能滿足不同電化學(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，是未來下一代Co3O4的必然選擇。

2.2 Co3O4納米產(chǎn)品分類

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。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，此類產(chǎn)品的活性與產(chǎn)品的物理重量無必然聯(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納米以內(nèi)）和超薄納米材料（10納米以內(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)品的開發(fā)熱點(diǎn)

近十年來，Co3O4產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室階段的開發(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。當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)室Co3O4納米產(chǎn)品的開發(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題，國內(nèi)外學(xué)者又將該產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)一步推進(jìn)至超薄（10納米以內(nèi)）級(jí)別，這成為了該材料開發(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)品開發(fā)的不足與改進(jìn)策略

4.1 Co3O4納米產(chǎn)品開發(fā)的不足

目前Co3O4納米產(chǎn)品的開發(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)品的種類雖然實(shí)現(xiàn)多樣化，但低成本路徑的開發(fā)問題亟待解決，否則會(huì)嚴(yán)重影響未來產(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，國家在該產(chǎn)品開發(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)品開發(fā)的改進(jìn)策略

根據(jù)當(dāng)前Co3O4納米產(chǎn)品開發(fā)的不足，在未來的研究中相應(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)品在未來的電化學(xué)產(chǎn)業(yè)中有極大的應(yīng)用潛力，因此開發(fā)多樣化的納米產(chǎn)品以滿足電化學(xué)不同應(yīng)用方向的需求是未來該產(chǎn)品開發(fā)的必然趨勢(shì)。此外，針對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸，在未來的研發(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。

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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)。