高電化學活性Co3O4納米材料研究進展

摘 要：Co3O4納米材料在電化學領域具有越來越重要的應用價值，相關產品開發因此受到國內外學者的高度關注。文章主要從Co3O4納米材料的開發現狀及分類，產品應用需求及開發熱點，以及產品開發不足與改進策略等方面進行了綜述，著重關注產品的電化學產業化問題，進一步對下一代Co3O4新產品的研發方向提出了建議。

關鍵詞：Co3O4；納米產品；高活性；電化學產業

1 背景介紹

Co3O4產品在社會電化學相關產業中發揮著越來越重要的作用。在目前眾多的電化學應用領域里，如電化學儲能（鋰離子電池，超級電容器等），電化學催化（電解工程，電化學合成工業等），電化學檢測（傳感器，報警器等），Co3O4產品都表現出了潛在的應用價值，因此在當前以及未來數十年，Co3O4產品的開發和研究是一項重要課題。隨著國家對新能源產業的不斷支持以及對高效節能產品的強烈呼吁，具有高電化學活性的Co3O4產品的開發勢必成為必然的發展方向。

2 Co3O4產品開發現狀及分類

2.1 Co3O4開發現狀

目前Co3O4產品的開發可以分為兩大類別：第一類為產業化的Co3O4粉體材料的開發，此類產業的共同特點為：產品活性滿足當前電化學產業最低需求，生產成本低廉，然而不足之處為產品種類單一，難以滿足電化學各領域的特定需求；第二類為基于實驗室條件下的高電化學活性Co3O4納米產品開發，該領域的主要特點為：產品具有高電化學活性，種類多樣并能滿足不同電化學領域的特定需求，然而不足之處在于生產工藝產業化難度大，成本高。相比之下，后者在使用性能方面更具有較大的應用潛力，是未來下一代Co3O4的必然選擇。

2.2 Co3O4納米產品分類

從電化學領域的需求出發，我們這里可以從三個方面對現有的Co3O4納米產品進行分類。第一方面，按照產品的功能要求，可以分為質量關聯型產品和比表面關聯型產品。質量關聯型Co3O4納米產品主要應用于電能存儲方面，產品的儲電容量與產品的物理重量表現為線性正比關聯；比表面關聯型Co3O4納米產品主要應用于電化學催化或檢測等方面，此類產品的活性與產品的物理重量無必然聯系，卻與產品的比表面表現出一定的正比例關系。第二方面，按照產品的存在形態，可以分為離散態粉體產品和固定附著態薄膜產品。離散態粉體產品在使用時需要通過粘結技術與導電基體固定，附著態薄膜產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，根據產品基本構成顆粒的尺寸分布，可以分為微納級材料（數百納米或微米級以上），納米級材料（100納米以內）和超薄納米材料（10納米以內）。從物理學基本原理可以知道，材料的尺寸越小，表面吉布斯自由能越高，表現在電化學方面其活性一般也認為越高。

3 Co3O4納米產品應用需求及開發熱點

3.1 Co3O4納米產品應用需求方向

從電化學應用角度講，Co3O4納米產品的應用需求存在如下幾個大的方向。在能量存儲方面，由于其本質是依賴于材料的電化學氧化還原反應，因此需要產品的顆粒適中不易團聚，顆粒本身電子導電性好，反應內阻小，利于離子擴散，產品骨架結構穩定，能承受較大程度的體積膨脹-收縮（對應儲能和放能過程）；在電化學催化方面，需要產品的比表面積大，產品與基體結合力好，表面特定活性催化位點比例高；在電化學檢測方面，要求材料的表面狀態分布均一性高，對特定粒子的檢測識別位點比例高，材料熱力學穩定性好，可重復性好。

3.2 Co3O4納米產品的開發熱點

近十年來，Co3O4產品在實驗室階段的開發與研究工作取得了極大的進展，其相關的報道近幾年呈現指數性增長。當前在實驗室Co3O4納米產品的開發上存在如下兩個主要研究熱點：其一，基于不同的制備路徑以獲得不同結構的Co3O4納米產品，從而改善產品的電化學性能。對尺寸在10-100納米的一般性Co3O4一維結構、二維結構和三維結構的開發與性能研究則成為該項工作的主要特點。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，國內外學者又將該產品的研發進一步推進至超薄（10納米以內）級別，這成為了該材料開發的另一熱點領域。相較于一般性納米材料，超薄Co3O4產品由于其明顯的量子尺寸效應和超高的表面能，其活性大大提高。

4 Co3O4納米產品開發的不足與改進策略

4.1 Co3O4納米產品開發的不足

目前Co3O4納米產品的開發存在如下主要不足：首先，絕大多數Co3O4納米產品的開發仍停留在實驗室階段，成本控制與產業工藝研究存在明顯的滯后；其次，Co3O4納米產品的種類雖然實現多樣化，但低成本路徑的開發問題亟待解決，否則會嚴重影響未來產品的產業化進程；再者，當前Co3O4納米產品的商業轉化率低，企業對新產品的需求意識不強，導致產品內在發展動力不足；最后，國家在該產品開發方面的各項激勵政策有待于進一步轉變。

4.2 Co3O4納米產品開發的改進策略

根據當前Co3O4納米產品開發的不足，在未來的研究中相應的改進策略為：首先，應注重低成本、高活性Co3O4納米產品制備路徑的開發；其次，科研機構應吸收更多的企業參與相關工作，并提出產業化建議；再者，國家從政策層面給予更多的鼓勵和支持。

5 前景展望

高電化學活性的Co3O4納米產品在未來的電化學產業中有極大的應用潛力，因此開發多樣化的納米產品以滿足電化學不同應用方向的需求是未來該產品開發的必然趨勢。此外，針對當前產品開發的瓶頸，在未來的研發中，進一步降低納米產品的制備價格，拓寬產業化制備工藝是一項有挑戰性的工作。隨著社會的不斷發展，高電化學活性Co3O4納米產品必然會逐步融入電化學產業的進程之中。

參考文獻

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作者簡介：王慧娟（1984-），女，漢族，山東泰安市，燕山大學電氣工程學院，碩士研究生，研究方向為電化學。