一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法
【專利摘要】一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，本發(fā)明涉及制備電極的方法。本發(fā)明要解決現(xiàn)有氧化鈷贗電容存在比電容較低的問題。本發(fā)明的方法：在Si基底上制備Co鍍層，然后將其置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，通入氬氣，調(diào)節(jié)氣體流量、壓強(qiáng)，升溫到一定溫度后，再通入氧氣，調(diào)節(jié)氬氣及氧氣氣體流量，調(diào)節(jié)溫度、射頻功率、壓強(qiáng)，進(jìn)行沉積，沉積結(jié)束后，即得到納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極。本發(fā)明用于制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極。
【專利說明】一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制備電極的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能元件，它比傳統(tǒng)電容器具有更高的比電容和能量密度，比電池具有更高的功率密度，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。為了能夠滿足未來的各種應(yīng)用，制備出高能量密度和功率密度、長循環(huán)壽命、低成本超級電容器電極材料成為其廣泛使用的關(guān)鍵。
[0003]根據(jù)儲能機(jī)理的不同，目前電化學(xué)電容器分為雙電層電容器和贗電容器。其中雙電層電容器廣泛使用的是各種碳材料，其特點是導(dǎo)電率高、比表面積大、循環(huán)性好，但是其比電容較低；另一類則是用作贗電容的是金屬氧化物材料，比電容一般較高，但存在穩(wěn)定性較差的問題。
[0004]通常認(rèn)為，過渡金屬氧化物是最好的贗電容候選電極材料，因其有各種氧化態(tài)可用于氧化還原電荷轉(zhuǎn)移。其中，研究最多的金屬氧化物是水合的氧化釕，但由于其價格昂貴，需要積極尋找用廉價的過渡金屬氧化物及其他化合物材料來替代。氧化鈷以其極高的理論電容、高的循環(huán)特性、低成本預(yù)示著其良好的應(yīng)用前景，但是較低的電導(dǎo)率使得氧化鈷基電極材料的電容性能未充分顯現(xiàn)，與理論值相差很大，所以如何提高其導(dǎo)電性是近來研究的熱點。隨著納米技術(shù)科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種納米材料開始用于超級電容器。從而帶來了一些優(yōu)勢:電極材料尺寸的降低能顯著地增大單位質(zhì)量電極/電解質(zhì)接觸面積，為電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)提供更多的離子吸附位點；可減少離子和電子通過多孔電極時扭曲的擴(kuò)散距離，得到更短的擴(kuò)散時間，提高充放電速率，進(jìn)而得到高性能的電極材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決現(xiàn)有氧化鈷贗電容存在比電容較低的問題，而提供一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法。
[0006]一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0007]一、將Si基底置于丙酮溶液中超聲清洗1min?20min，然后利用磁控濺射設(shè)備在Si基底上制備Co鍍層，得到Co鍍層硅片；
[0008]二、將Co鍍層硅片置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強(qiáng)為5Pa以下,通入IS氣,調(diào)節(jié)IS氣氣體流量為1sccm?50sccm,調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為10Pa?lOOOPa，并在壓強(qiáng)為10Pa?100Pa和氬氣氣氛下，在25min內(nèi)將溫度升溫至為500°C?800°C ；
[0009]三、通入氧氣，調(diào)節(jié)氧氣的氣體流量為1sccm,調(diào)節(jié)気氣的氣體流量為50sccm?90SCCm，調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為200Pa?500Pa，然后在射頻功率為75W?225W、壓強(qiáng)為200Pa?500Pa和溫度為500°C?800°C條件下進(jìn)行沉積，沉積時間為30min?90min，沉積結(jié)束后，關(guān)閉射頻電源和加熱電源，停止通入氧氣，在氬氣氣氛下從溫度為500°C?800°C冷卻至室溫，即得到納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]1、采用簡單的磁控濺射和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法后，得到了在Si基底上垂直生長的氧化鈷納米片陣列結(jié)構(gòu)，制備過程簡單，成本低。其可直接用作集電極使用，而且提高了贗電容的整體性能。
[0012]2、本發(fā)明所制備的氧化鈷納米片陣列結(jié)構(gòu)具有較大的比較面積和獨特的片層結(jié)構(gòu)，非常有利于電極材料和電解液充分潤濕，有利于電子的擴(kuò)散，提高充放電速率，進(jìn)而得到高性能的電極材料，其比容量最高可達(dá)到450 μ F/cm2。
[0013]3、本發(fā)明的方法簡單，高效，便于工業(yè)化生產(chǎn)，制備得到的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極材料在儲能材料、氣體吸附材料等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0014]本發(fā)明用于一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為實施例制備的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極材料的掃描電鏡圖；
[0016]圖2為循環(huán)伏安曲線圖，I為掃速為50mV/s時實施例制備的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極的循環(huán)伏安曲線圖，2為掃速為20mV/s時實施例制備的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極的循環(huán)伏安曲線圖，3為掃速為10mV/s時實施例制備的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極的循環(huán)伏安曲線圖。

【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0018]【具體實施方式】一:本實施方式所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0019]一、將Si基底置于丙酮溶液中超聲清洗1min?20min，然后利用磁控濺射設(shè)備在Si基底上制備Co鍍層，得到Co鍍層硅片；
[0020]二、將Co鍍層硅片置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強(qiáng)為5Pa以下,通入IS氣,調(diào)節(jié)IS氣氣體流量為1sccm?50sccm,調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為10Pa?lOOOPa，并在壓強(qiáng)為10Pa?100Pa和氬氣氣氛下，在25min內(nèi)將溫度升溫至為500°C?800°C ；
[0021]三、通入氧氣，調(diào)節(jié)氧氣的氣體流量為1sccm,調(diào)節(jié)気氣的氣體流量為50sccm?90SCCm，調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為200Pa?500Pa，然后在射頻功率為75W?225W、壓強(qiáng)為200Pa?500Pa和溫度為500°C?800°C條件下進(jìn)行沉積，沉積時間為30min?90min，沉積結(jié)束后，關(guān)閉射頻電源和加熱電源，停止通入氧氣，在氬氣氣氛下從溫度為500°C?800°C冷卻至室溫，即得到納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極。
[0022]本實施方式通過對鍍層厚度、反應(yīng)參數(shù)等控制，可以控制氧化鈷納米片的生長狀態(tài)，進(jìn)而得到了性能優(yōu)異的氧化鈷納米結(jié)構(gòu)電極材料，測試結(jié)果表明其電化學(xué)性能優(yōu)良。
[0023]本實施方式的有益效果是:
[0024]1、采用簡單的磁控濺射和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法后，得到了在Si基底上垂直生長的氧化鈷納米片陣列結(jié)構(gòu)，制備過程簡單，成本低。其可直接用作集電極使用，而且提高了贗電容的整體性能。
[0025]2、本實施方式所制備的氧化鈷納米片陣列結(jié)構(gòu)具有較大的比較面積和獨特的片層結(jié)構(gòu)，非常有利于電極材料和電解液充分潤濕，有利于電子的擴(kuò)散，提高充放電速率，進(jìn)而得到高性能的電極材料，其比容量最高可達(dá)到450 μ F/cm2。
[0026]3、本實施方式的方法簡單，高效，便于工業(yè)化生產(chǎn)，制備得到的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極材料在儲能材料、氣體吸附材料等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0027]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中利用磁控濺射設(shè)備在Si基底上制備厚度為1nm?100nm的Co鍍層。其它與【具體實施方式】一相同。
[0028]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:步驟一中利用磁控濺射設(shè)備在Si基底上制備厚度為10nm的Co鍍層。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0029]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:步驟三中調(diào)節(jié)氧氣的氣體流量為lOsccm，調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為50SCCm。其它與【具體實施方式】一至三相同。
[0030]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:步驟二中在25min內(nèi)將溫度升溫至為600°C?650°C。其它與【具體實施方式】一至四相同。
[0031]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:步驟二中在25min內(nèi)將溫度升溫至為700°C。其它與【具體實施方式】一至五相同。
[0032]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:步驟三中調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為500Pa。其它與【具體實施方式】一至六相同。
[0033]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是:步驟三中沉積時間為45min。其它與【具體實施方式】一至七相同。
[0034]采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果:
[0035]實施例:
[0036]本實施例所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0037]一、將Si基底置于丙酮溶液中超聲清洗15min，然后利用磁控濺射設(shè)備在Si基底上制備厚度為75nm的Co鍍層，得到Co鍍層硅片；
[0038]二、將Co鍍層硅片置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強(qiáng)為5Pa以下，通入氬氣，調(diào)節(jié)氬氣氣體流量為30sCCm，調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為200Pa，并在壓強(qiáng)為200Pa和氬氣氣氛下，在25min內(nèi)將溫度升溫至為700°C ；
[0039]三、通入氧氣，調(diào)節(jié)氧氣的氣體流量為1sccm,調(diào)節(jié)気氣的氣體流量為50sccm,調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為400Pa，然后在射頻功率為200W、壓強(qiáng)為400Pa和溫度為700°C條件下進(jìn)行沉積，沉積時間為45min，沉積結(jié)束后，關(guān)閉射頻電源和加熱電源，停止通入氧氣，在氬氣氣氛下從溫度為700°C冷卻至室溫，即得到納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極。
[0040]圖1為實施例制備的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極材料的掃描電鏡圖；從圖中可以看出納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷在Si基底表面分布均勻、密度適中，其垂直于Si基底生長，呈獨特的片層結(jié)構(gòu)。
[0041]圖2為循環(huán)伏安曲線圖，I為掃速為50mV/s時實施例制備的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極的循環(huán)伏安曲線圖，2為掃速為20mV/s時實施例制備的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極的循環(huán)伏安曲線圖，3為掃速為10mV/s時實施例制備的納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極的循環(huán)伏安曲線圖。從圖中可知，納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，其比電容在10mV/S掃速條件下高達(dá)450 μ F/cm2。
【權(quán)利要求】
1.一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，其特征在于一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法是按照以下步驟進(jìn)行的: 一、將51基底置于丙酮溶液中超聲清洗10-11?20111111，然后利用磁控濺射設(shè)備在51基底上制備(?鍍層，得到(?鍍層硅片； 二、將(?鍍層硅片置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強(qiáng)為5？3以下，通入氬氣，調(diào)節(jié)氬氣氣體流量為?508“！11，調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為100？3?1000？21，并在壓強(qiáng)為100？3?1000？3和氬氣氣氛下，在25-11內(nèi)將溫度升溫至為5001?8001 ； 三、通入氧氣，調(diào)節(jié)氧氣的氣體流量為108(^111，調(diào)節(jié)II氣的氣體流量為508(3(3111?908⑶III，調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為200？3?500？3，然后在射頻功率為751?2251、壓強(qiáng)為200？3?500？3和溫度為5001?8001條件下進(jìn)行沉積，沉積時間為30111111?90111111，沉積結(jié)束后，關(guān)閉射頻電源和加熱電源，停止通入氧氣，在氬氣氣氛下從溫度為5001?8001冷卻至室溫，即得到納米片結(jié)構(gòu)的氧化鈷電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，其特征在于步驟一中利用磁控濺射設(shè)備在51基底上制備厚度為1011111?100011111的(?鍍層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，其特征在于步驟一中利用磁控濺射設(shè)備在51基底上制備厚度為10011111的(?鍍層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，其特征在于步驟三中調(diào)節(jié)氧氣的氣體流量為108(^111，調(diào)節(jié)気氣的氣體流量為508(^111。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，其特征在于步驟二中在250111內(nèi)將溫度升溫至為6001?6501。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，其特征在于步驟二中在25111111內(nèi)將溫度升溫至為7001。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，其特征在于步驟三中調(diào)節(jié)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)為500？3。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米片結(jié)構(gòu)氧化鈷電極的方法，其特征在于步驟三中沉積時間為45111111。
【文檔編號】H01G11/86GK104445443SQ201410815723
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】亓鈞雷, 林景煌, 張興凱, 談雪琪, 周玉楊, 馮吉才 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)