專利名稱：脈沖激光沉積制備片狀納米氧化鈷陣列電極材料的方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)儲能領(lǐng)域，具體涉及一種脈沖激光沉積制備片狀納米氧化鈷陣列電極材料的方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
超級電容器是一種新型儲能器件，其兼具二次電池能量密度高和傳統(tǒng)電容器功率密度大的優(yōu)點，因而越來越受到廣泛關(guān)注。影響超級電容器電化學(xué)性能的核心部分是電極材料，因此尋找性能良好，價格低廉，對環(huán)境無污染的電極材料已成為促進超級電容器發(fā)展的關(guān)鍵。根據(jù)采用的電極材料的不同，超級電容器可分為碳電極、金屬氧化物電極和導(dǎo)電聚 合物電極電容器。目前，廉價金屬氧化物由于具有超電容特性而成為研究的熱點。其中氧化鈷具有較高的氧化還原活性，其理論比電容高達3560 F g \是一種具有良好發(fā)展前景的超級電容器電極材料。氧化鈷的制備方法有化學(xué)氣相沉淀法，溶膠凝膠法，液相沉淀法，水熱法等。這些傳統(tǒng)方法都存在制備流程長，過程復(fù)雜，易團聚及環(huán)境污染等問題。而脈沖激光沉積方法具有易于改變薄膜沉積條件，污染小，易于生長高熔點難熔化合物等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各種氧化物薄膜沉積。中國專利(CNlO 151058. I，2006)提供了一種脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長的方法，在Si沉底上獲得了表面質(zhì)量好，結(jié)晶完整，高取向的VO2薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種脈沖激光沉積制備片狀納米氧化鈷陣列電極材料的方法及其應(yīng)用，本發(fā)明方法制備出的氧化鈷薄膜具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，可用作超級電容器電極材料。本發(fā)明提出的脈沖激光沉積制備片狀納米氧化鈷陣列電極材料的方法，具體步驟如下
(1)將高純度的(99.99%)鈷靶、鋁靶以及基片分別放置于真空室內(nèi)，調(diào)節(jié)基片與鈷靶和鋁靶的距離為3cm，利用機械泵和渦輪分子泵將真空室抽至壓力為10_4Pa，通入由氧氣與氫氣組成的混合氣體，再將基片加熱到240-260°C ；
(2)開啟Nd:YAG脈沖激光器，利用分光鏡將激光分為兩束光，并通過透鏡分別聚焦到鈷靶和鋁靶上，沉積110-130min后得到Co、Al雙金屬氧化物薄膜；
(3)取出基片，將其浸于NaOH溶液中靜置8-10小時，除去其中的氧化招，即可得到片狀納米氧化鈷陣列薄膜，干燥后，進行表征和電化學(xué)性能測試。本發(fā)明中，步驟⑴中所述的氧氣與氫氣的體積比為I :1-2 :1。本發(fā)明中，步驟(3)中所述NaOH溶液為3M NaOH溶液。利用本發(fā)明方法制備得到的片狀納米氧化鈷陣列電極應(yīng)用于超級電容器電極材料。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明電化學(xué)性能測試結(jié)果表明此薄膜電極具有較高的比電容，極佳的倍率特性和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在超級電容器電極材料方面具有良好的應(yīng)用前景。


圖I為脈沖激光沉積制備Co、Al雙金屬氧化物薄膜的裝置示意圖。圖2為Co、Al雙金屬氧化物薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖(低倍)。圖3為Co、Al雙金屬氧化物薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖(高倍)。 圖4為片狀納米氧化鈷陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)圖(低倍)。圖5為片狀納米氧化鈷陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)圖(高倍)。圖6為Co、Al雙金屬氧化物薄膜(實線)和片狀納米氧化鈷陣列(虛線)的拉曼譜圖。圖7為片狀納米氧化鈷陣列電極在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。圖8和圖9分別為片狀納米氧化鈷陣列電極在不同電流密度下的放電曲線。圖10為不同電流密度下片狀納米氧化鈷陣列電極的比電容值。圖11為片狀納米氧化鈷陣列電極的循環(huán)壽命圖。圖中標號1為Nd: YAG脈沖激光器，2為旋轉(zhuǎn)靶，3為進氣管，4為激光燒蝕產(chǎn)生的羽流，5為真空室，6為基片，7為鈷靶，8為鋁靶。
具體實施例方式下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。實施例I :
(1)將高純度的(99.99%)鈷靶和鋁靶以及Mo基片放置于真空室中，調(diào)節(jié)基片與靶材間的距離為3cm。圖I為系統(tǒng)裝置示意圖，利用機械泵和渦輪分子泵將真空室抽至壓力為10_4Pa，通入氧氣與氫氣混合氣體(O2 :H2=2:1)，氣體壓力約為30 Pa，再將基片加熱到250 0C ；
(2)開啟Nd:YAG脈沖激光器，利用分光鏡將激光分為兩束光，并通過透鏡分別聚焦到鈷和鋁靶上，沉積120 min后得到Co、Al雙金屬氧化物薄膜。圖2和圖3為其掃描電子顯微鏡圖，其拉曼光譜見圖6中實線部分；
(3)取出基片，將其浸于3MNaOH溶液中靜置一晚，除去其中的氧化鋁，即可得到片狀納米氧化鈷陣列薄膜，其掃描電子顯微鏡圖見圖4和圖5，拉曼光譜為圖6中虛線部分。干燥后，進行表征和電化學(xué)性能測試。其電化學(xué)性質(zhì)測定均在lmol/L KOH水溶液中進行，測試結(jié)果見圖7-11 :圖7為片狀納米氧化鈷陣列電極在不同掃描速率(5-100 mV s—1)下的循環(huán)伏安曲線，圖8和圖9為不同電流密度(1-120 A g—1)下片狀納米氧化鈷陣列電極的放電曲線，圖10為片狀納米氧化鈷陣列電極在不同電流密度(1-120 A g_0下的比電容，圖11為片狀納米氧化鈷陣列電極的循環(huán)壽命圖。實施例2
(I)將高純度的(99. 99%)鈷靶和鋁靶以及Mo基片放置于真空室中，調(diào)節(jié)基片與靶材間的距離為3cm。利用機械泵和渦輪分子泵將真空室抽至壓力為10_4Pa，通入氧氣與氫氣混合氣體(O2 :H2=1:1)，氣體壓力約為30 Pa，再將基片加熱到250°C ；
(2)開啟Nd:YAG脈沖激光器，利用分光鏡將激光分為兩束光，并通過透鏡分別聚焦到鈷靶和鋁靶上，沉積120min后得到Co、Al雙金屬氧化物薄膜；
(3)取出基片，將其浸于3MNaOH溶液中靜置一晚，除去其中的氧化鋁，即可得到片狀納米氧化鈷陣列薄膜。干燥后，進行表征和電化學(xué)性能測試。實施例3
(1)將高純度的(99.99%)鈷靶和鋁靶以及Mo基片放置于真空室中，調(diào)節(jié)基片與靶材間的距離為3cm。利用機械泵和渦輪分子泵將真空室抽至壓力為10_4Pa，通入氧氣與氫氣混合氣體(O2 =H2=I: 2)，氣體壓力約為30 Pa，再將基片加熱到250°C ；
(2)開啟Nd:YAG脈沖激光器，利用分光鏡將激光分為兩束光，并通過透鏡分別聚焦到鈷靶和鋁靶上，沉積120min后得到Co、Al雙金屬氧化物薄膜；
(3)取出基片，將其浸于3MNaOH溶液中靜置一晚，除去其中的氧化鋁，即可得到片狀納米氧化鈷陣列薄膜。干燥后，進行表征和電化學(xué)性能測試。實施例4
(1)將高純度的(99.99%)鈷靶和鋁靶以及Mo基片放置于真空室中，調(diào)節(jié)基片與靶材間的距離為3cm。利用機械泵和渦輪分子泵將真空室抽至壓力為10_4Pa，通入壓力約為30 Pa的氧氣，再將基片加熱到250°C ；
(2)開啟Nd:YAG脈沖激光器，利用分光鏡將激光分為兩束光，并通過透鏡分別聚焦到鈷靶和鋁靶上，沉積120min后得到Co、Al雙金屬氧化物薄膜；
(3)取出基片，將其浸于3MNaOH溶液中靜置一晚，除去其中的氧化鋁，即可得到片狀納米氧化鈷陣列薄膜。干燥后，進行表征和電化學(xué)性能測試。
權(quán)利要求
1.一種脈沖激光沉積制備片狀納米氧化鈷陣列電極材料的方法，其特征在于具體步驟如下 (1)將純度為99.99%的鈷靶和鋁靶以及基片分別放置于真空室內(nèi)，調(diào)節(jié)基片與鈷靶和鋁靶的距離為3cm，利用機械泵和渦輪分子泵將真空室抽至壓力為10_4Pa，通入由氧氣與氫氣組成的混合氣體，再將基片加熱到240-260°C ； (2)開啟Nd:YAG脈沖激光器，利用分光鏡將激光分為兩束光，并通過透鏡分別聚焦到鈷靶和鋁靶上，沉積110-130min后得到Co、Al雙金屬氧化物薄膜； (3)取出基片，將其浸于NaOH溶液中靜置8-10小時，除去其中的氧化招，即可得到片狀納米氧化鈷陣列薄膜，干燥后，進行表征和電化學(xué)性能測試。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(I)中所述的氧氣與氫氣的體積比為I :1-2 :1。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(3)中所述NaOH溶液為3MNaOH溶液。
4.一種如權(quán)利要求I所述方法制備得到的片狀納米氧化鈷陣列電極應(yīng)用于超級電容器電極材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈沖激光沉積制備片狀納米氧化鈷陣列電極材料的方法及其應(yīng)用。以脈沖激光沉積法制得的Co、Al雙金屬氧化物薄膜為前驅(qū)物，將其在3MNaOH溶液中充分腐蝕出去氧化鋁，即可得到片狀納米氧化鈷陣列薄膜。本發(fā)明電化學(xué)性能測試結(jié)果表明此薄膜電極具有較高的比電容，極佳的倍率特性和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在超級電容器電極材料方面具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號C23C14/58GK102965625SQ201210444498
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者王雪峰, 王雅蘭, 王歡文 申請人:同濟大學(xué)