专利名称：脉冲激光沉积制备片状纳米氧化钴阵列电极材料的方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种脉冲激光沉积制备片状纳米氧化钴阵列电极材料的方法及其应用。
背景技术：
超级电容器是一种新型储能器件，其兼具二次电池能量密度高和传统电容器功率密度大的优点，因而越来越受到广泛关注。影响超级电容器电化学性能的核心部分是电极材料，因此寻找性能良好，价格低廉，对环境无污染的电极材料已成为促进超级电容器发展的关键。根据采用的电极材料的不同，超级电容器可分为碳电极、金属氧化物电极和导电聚 合物电极电容器。目前，廉价金属氧化物由于具有超电容特性而成为研究的热点。其中氧化钴具有较高的氧化还原活性，其理论比电容高达3560 F g \是一种具有良好发展前景的超级电容器电极材料。氧化钴的制备方法有化学气相沉淀法，溶胶凝胶法，液相沉淀法，水热法等。这些传统方法都存在制备流程长，过程复杂，易团聚及环境污染等问题。而脉冲激光沉积方法具有易于改变薄膜沉积条件，污染小，易于生长高熔点难熔化合物等优势，被广泛应用于各种氧化物薄膜沉积。中国专利(CNlO 151058. I，2006)提供了一种脉冲激光沉积Si基VO2薄膜取向生长的方法，在Si沉底上获得了表面质量好，结晶完整，高取向的VO2薄膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲激光沉积制备片状纳米氧化钴阵列电极材料的方法及其应用，本发明方法制备出的氧化钴薄膜具有优异的电化学性能，可用作超级电容器电极材料。本发明提出的脉冲激光沉积制备片状纳米氧化钴阵列电极材料的方法，具体步骤如下
(1)将高纯度的(99.99%)钴靶、铝靶以及基片分别放置于真空室内，调节基片与钴靶和铝靶的距离为3cm，利用机械泵和涡轮分子泵将真空室抽至压力为10_4Pa，通入由氧气与氢气组成的混合气体，再将基片加热到240-260°C ；
(2)开启Nd:YAG脉冲激光器，利用分光镜将激光分为两束光，并通过透镜分别聚焦到钴靶和铝靶上，沉积110-130min后得到Co、Al双金属氧化物薄膜；
(3)取出基片，将其浸于NaOH溶液中静置8-10小时，除去其中的氧化招，即可得到片状纳米氧化钴阵列薄膜，干燥后，进行表征和电化学性能测试。本发明中，步骤⑴中所述的氧气与氢气的体积比为I :1-2 :1。本发明中，步骤(3)中所述NaOH溶液为3M NaOH溶液。利用本发明方法制备得到的片状纳米氧化钴阵列电极应用于超级电容器电极材料。本发明的有益效果在于本发明电化学性能测试结果表明此薄膜电极具有较高的比电容，极佳的倍率特性和优异的循环稳定性，在超级电容器电极材料方面具有良好的应用前景。
图I为脉冲激光沉积制备Co、Al双金属氧化物薄膜的装置示意图。图2为Co、Al双金属氧化物薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图(低倍)。图3为Co、Al双金属氧化物薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图(高倍)。 图4为片状纳米氧化钴阵列的扫描电子显微镜(SEM)图(低倍)。图5为片状纳米氧化钴阵列的扫描电子显微镜(SEM)图(高倍)。图6为Co、Al双金属氧化物薄膜(实线)和片状纳米氧化钴阵列(虚线)的拉曼谱图。图7为片状纳米氧化钴阵列电极在不同扫描速率下的循环伏安曲线。图8和图9分别为片状纳米氧化钴阵列电极在不同电流密度下的放电曲线。图10为不同电流密度下片状纳米氧化钴阵列电极的比电容值。图11为片状纳米氧化钴阵列电极的循环寿命图。图中标号1为Nd: YAG脉冲激光器，2为旋转靶，3为进气管，4为激光烧蚀产生的羽流，5为真空室，6为基片，7为钴靶，8为铝靶。
具体实施例方式下面通过实施例进一步说明本发明。实施例I :
(1)将高纯度的(99.99%)钴靶和铝靶以及Mo基片放置于真空室中，调节基片与靶材间的距离为3cm。图I为系统装置示意图，利用机械泵和涡轮分子泵将真空室抽至压力为10_4Pa，通入氧气与氢气混合气体(O2 :H2=2:1)，气体压力约为30 Pa，再将基片加热到250 0C ；
(2)开启Nd:YAG脉冲激光器，利用分光镜将激光分为两束光，并通过透镜分别聚焦到钴和铝靶上，沉积120 min后得到Co、Al双金属氧化物薄膜。图2和图3为其扫描电子显微镜图，其拉曼光谱见图6中实线部分；
(3)取出基片，将其浸于3MNaOH溶液中静置一晚，除去其中的氧化铝，即可得到片状纳米氧化钴阵列薄膜，其扫描电子显微镜图见图4和图5，拉曼光谱为图6中虚线部分。干燥后，进行表征和电化学性能测试。其电化学性质测定均在lmol/L KOH水溶液中进行，测试结果见图7-11 :图7为片状纳米氧化钴阵列电极在不同扫描速率(5-100 mV s—1)下的循环伏安曲线，图8和图9为不同电流密度(1-120 A g—1)下片状纳米氧化钴阵列电极的放电曲线，图10为片状纳米氧化钴阵列电极在不同电流密度(1-120 A g_0下的比电容，图11为片状纳米氧化钴阵列电极的循环寿命图。实施例2
(I)将高纯度的(99. 99%)钴靶和铝靶以及Mo基片放置于真空室中，调节基片与靶材间的距离为3cm。利用机械泵和涡轮分子泵将真空室抽至压力为10_4Pa，通入氧气与氢气混合气体(O2 :H2=1:1)，气体压力约为30 Pa，再将基片加热到250°C ；
(2)开启Nd:YAG脉冲激光器，利用分光镜将激光分为两束光，并通过透镜分别聚焦到钴靶和铝靶上，沉积120min后得到Co、Al双金属氧化物薄膜；
(3)取出基片，将其浸于3MNaOH溶液中静置一晚，除去其中的氧化铝，即可得到片状纳米氧化钴阵列薄膜。干燥后，进行表征和电化学性能测试。实施例3
(1)将高纯度的(99.99%)钴靶和铝靶以及Mo基片放置于真空室中，调节基片与靶材间的距离为3cm。利用机械泵和涡轮分子泵将真空室抽至压力为10_4Pa，通入氧气与氢气混合气体(O2 =H2=I: 2)，气体压力约为30 Pa，再将基片加热到250°C ；
(2)开启Nd:YAG脉冲激光器，利用分光镜将激光分为两束光，并通过透镜分别聚焦到钴靶和铝靶上，沉积120min后得到Co、Al双金属氧化物薄膜；
(3)取出基片，将其浸于3MNaOH溶液中静置一晚，除去其中的氧化铝，即可得到片状纳米氧化钴阵列薄膜。干燥后，进行表征和电化学性能测试。实施例4
(1)将高纯度的(99.99%)钴靶和铝靶以及Mo基片放置于真空室中，调节基片与靶材间的距离为3cm。利用机械泵和涡轮分子泵将真空室抽至压力为10_4Pa，通入压力约为30 Pa的氧气，再将基片加热到250°C ；
(2)开启Nd:YAG脉冲激光器，利用分光镜将激光分为两束光，并通过透镜分别聚焦到钴靶和铝靶上，沉积120min后得到Co、Al双金属氧化物薄膜；
(3)取出基片，将其浸于3MNaOH溶液中静置一晚，除去其中的氧化铝，即可得到片状纳米氧化钴阵列薄膜。干燥后，进行表征和电化学性能测试。
权利要求
1.一种脉冲激光沉积制备片状纳米氧化钴阵列电极材料的方法，其特征在于具体步骤如下 (1)将纯度为99.99%的钴靶和铝靶以及基片分别放置于真空室内，调节基片与钴靶和铝靶的距离为3cm，利用机械泵和涡轮分子泵将真空室抽至压力为10_4Pa，通入由氧气与氢气组成的混合气体，再将基片加热到240-260°C ； (2)开启Nd:YAG脉冲激光器，利用分光镜将激光分为两束光，并通过透镜分别聚焦到钴靶和铝靶上，沉积110-130min后得到Co、Al双金属氧化物薄膜； (3)取出基片，将其浸于NaOH溶液中静置8-10小时，除去其中的氧化招，即可得到片状纳米氧化钴阵列薄膜，干燥后，进行表征和电化学性能测试。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤(I)中所述的氧气与氢气的体积比为I :1-2 :1。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤(3)中所述NaOH溶液为3MNaOH溶液。
4.一种如权利要求I所述方法制备得到的片状纳米氧化钴阵列电极应用于超级电容器电极材料。
全文摘要
本发明涉及一种脉冲激光沉积制备片状纳米氧化钴阵列电极材料的方法及其应用。以脉冲激光沉积法制得的Co、Al双金属氧化物薄膜为前驱物，将其在3MNaOH溶液中充分腐蚀出去氧化铝，即可得到片状纳米氧化钴阵列薄膜。本发明电化学性能测试结果表明此薄膜电极具有较高的比电容，极佳的倍率特性和优异的循环稳定性，在超级电容器电极材料方面具有良好的应用前景。
文档编号C23C14/58GK102965625SQ201210444498
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者王雪峰, 王雅兰, 王欢文 申请人:同济大学