一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法
【专利摘要】一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，本发明涉及制备电极的方法。本发明要解决现有氧化钴赝电容存在比电容较低的问题。本发明的方法：在Si基底上制备Co镀层，然后将其置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，通入氩气，调节气体流量、压强，升温到一定温度后，再通入氧气，调节氩气及氧气气体流量，调节温度、射频功率、压强，进行沉积，沉积结束后，即得到纳米片结构氧化钴电极。本发明用于制备纳米片结构氧化钴电极。
【专利说明】一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及制备电极的方法。
【背景技术】
[0002]超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件，它比传统电容器具有更高的比电容和能量密度，比电池具有更高的功率密度，因而具有广阔的应用前景。为了能够满足未来的各种应用，制备出高能量密度和功率密度、长循环寿命、低成本超级电容器电极材料成为其广泛使用的关键。
[0003]根据储能机理的不同，目前电化学电容器分为双电层电容器和赝电容器。其中双电层电容器广泛使用的是各种碳材料，其特点是导电率高、比表面积大、循环性好，但是其比电容较低；另一类则是用作赝电容的是金属氧化物材料，比电容一般较高，但存在稳定性较差的问题。
[0004]通常认为，过渡金属氧化物是最好的赝电容候选电极材料，因其有各种氧化态可用于氧化还原电荷转移。其中，研究最多的金属氧化物是水合的氧化钌，但由于其价格昂贵，需要积极寻找用廉价的过渡金属氧化物及其他化合物材料来替代。氧化钴以其极高的理论电容、高的循环特性、低成本预示着其良好的应用前景，但是较低的电导率使得氧化钴基电极材料的电容性能未充分显现，与理论值相差很大，所以如何提高其导电性是近来研究的热点。随着纳米技术科学与技术的不断进步，各种纳米材料开始用于超级电容器。从而带来了一些优势:电极材料尺寸的降低能显著地增大单位质量电极/电解质接触面积，为电荷转移反应提供更多的离子吸附位点；可减少离子和电子通过多孔电极时扭曲的扩散距离，得到更短的扩散时间，提高充放电速率，进而得到高性能的电极材料。
【发明内容】
[0005]本发明要解决现有氧化钴赝电容存在比电容较低的问题，而提供一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法。
[0006]一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0007]一、将Si基底置于丙酮溶液中超声清洗1min?20min，然后利用磁控溅射设备在Si基底上制备Co镀层，得到Co镀层硅片；
[0008]二、将Co镀层硅片置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下,通入IS气,调节IS气气体流量为1sccm?50sccm,调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为10Pa?lOOOPa，并在压强为10Pa?100Pa和氩气气氛下，在25min内将温度升温至为500°C?800°C ；
[0009]三、通入氧气，调节氧气的气体流量为1sccm,调节気气的气体流量为50sccm?90SCCm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa?500Pa，然后在射频功率为75W?225W、压强为200Pa?500Pa和温度为500°C?800°C条件下进行沉积，沉积时间为30min?90min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，停止通入氧气，在氩气气氛下从温度为500°C?800°C冷却至室温，即得到纳米片结构的氧化钴电极。
[0010]本发明的有益效果是:
[0011]1、采用简单的磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积方法后，得到了在Si基底上垂直生长的氧化钴纳米片阵列结构，制备过程简单，成本低。其可直接用作集电极使用，而且提高了赝电容的整体性能。
[0012]2、本发明所制备的氧化钴纳米片阵列结构具有较大的比较面积和独特的片层结构，非常有利于电极材料和电解液充分润湿，有利于电子的扩散，提高充放电速率，进而得到高性能的电极材料，其比容量最高可达到450 μ F/cm2。
[0013]3、本发明的方法简单，高效，便于工业化生产，制备得到的纳米片结构的氧化钴电极材料在储能材料、气体吸附材料等领域有广阔的应用前景。
[0014]本发明用于一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为实施例制备的纳米片结构的氧化钴电极材料的扫描电镜图；
[0016]图2为循环伏安曲线图，I为扫速为50mV/s时实施例制备的纳米片结构的氧化钴电极的循环伏安曲线图，2为扫速为20mV/s时实施例制备的纳米片结构的氧化钴电极的循环伏安曲线图，3为扫速为10mV/s时实施例制备的纳米片结构的氧化钴电极的循环伏安曲线图。
【具体实施方式】
[0017]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0018]【具体实施方式】一:本实施方式所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0019]一、将Si基底置于丙酮溶液中超声清洗1min?20min，然后利用磁控溅射设备在Si基底上制备Co镀层，得到Co镀层硅片；
[0020]二、将Co镀层硅片置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下,通入IS气,调节IS气气体流量为1sccm?50sccm,调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为10Pa?lOOOPa，并在压强为10Pa?100Pa和氩气气氛下，在25min内将温度升温至为500°C?800°C ；
[0021]三、通入氧气，调节氧气的气体流量为1sccm,调节気气的气体流量为50sccm?90SCCm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa?500Pa，然后在射频功率为75W?225W、压强为200Pa?500Pa和温度为500°C?800°C条件下进行沉积，沉积时间为30min?90min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，停止通入氧气，在氩气气氛下从温度为500°C?800°C冷却至室温，即得到纳米片结构的氧化钴电极。
[0022]本实施方式通过对镀层厚度、反应参数等控制，可以控制氧化钴纳米片的生长状态，进而得到了性能优异的氧化钴纳米结构电极材料，测试结果表明其电化学性能优良。
[0023]本实施方式的有益效果是:
[0024]1、采用简单的磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积方法后，得到了在Si基底上垂直生长的氧化钴纳米片阵列结构，制备过程简单，成本低。其可直接用作集电极使用，而且提高了赝电容的整体性能。
[0025]2、本实施方式所制备的氧化钴纳米片阵列结构具有较大的比较面积和独特的片层结构，非常有利于电极材料和电解液充分润湿，有利于电子的扩散，提高充放电速率，进而得到高性能的电极材料，其比容量最高可达到450 μ F/cm2。
[0026]3、本实施方式的方法简单，高效，便于工业化生产，制备得到的纳米片结构的氧化钴电极材料在储能材料、气体吸附材料等领域有广阔的应用前景。
[0027]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中利用磁控溅射设备在Si基底上制备厚度为1nm?100nm的Co镀层。其它与【具体实施方式】一相同。
[0028]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同的是:步骤一中利用磁控溅射设备在Si基底上制备厚度为10nm的Co镀层。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0029]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤三中调节氧气的气体流量为lOsccm，调节氩气的气体流量为50SCCm。其它与【具体实施方式】一至三相同。
[0030]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:步骤二中在25min内将温度升温至为600°C?650°C。其它与【具体实施方式】一至四相同。
[0031]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤二中在25min内将温度升温至为700°C。其它与【具体实施方式】一至五相同。
[0032]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是:步骤三中调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为500Pa。其它与【具体实施方式】一至六相同。
[0033]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是:步骤三中沉积时间为45min。其它与【具体实施方式】一至七相同。
[0034]采用以下实施例验证本发明的有益效果:
[0035]实施例:
[0036]本实施例所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0037]一、将Si基底置于丙酮溶液中超声清洗15min，然后利用磁控溅射设备在Si基底上制备厚度为75nm的Co镀层，得到Co镀层硅片；
[0038]二、将Co镀层硅片置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，通入氩气，调节氩气气体流量为30sCCm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，并在压强为200Pa和氩气气氛下，在25min内将温度升温至为700°C ；
[0039]三、通入氧气，调节氧气的气体流量为1sccm,调节気气的气体流量为50sccm,调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为400Pa，然后在射频功率为200W、压强为400Pa和温度为700°C条件下进行沉积，沉积时间为45min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，停止通入氧气，在氩气气氛下从温度为700°C冷却至室温，即得到纳米片结构的氧化钴电极。
[0040]图1为实施例制备的纳米片结构的氧化钴电极材料的扫描电镜图；从图中可以看出纳米片结构的氧化钴在Si基底表面分布均匀、密度适中，其垂直于Si基底生长，呈独特的片层结构。
[0041]图2为循环伏安曲线图，I为扫速为50mV/s时实施例制备的纳米片结构的氧化钴电极的循环伏安曲线图，2为扫速为20mV/s时实施例制备的纳米片结构的氧化钴电极的循环伏安曲线图，3为扫速为10mV/s时实施例制备的纳米片结构的氧化钴电极的循环伏安曲线图。从图中可知，纳米片结构的氧化钴具有优异的电化学性能，其比电容在10mV/S扫速条件下高达450 μ F/cm2。
【权利要求】
1.一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，其特征在于一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法是按照以下步骤进行的: 一、将51基底置于丙酮溶液中超声清洗10-11?20111111，然后利用磁控溅射设备在51基底上制备(?镀层，得到(?镀层硅片； 二、将(?镀层硅片置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5？3以下，通入氩气，调节氩气气体流量为?508“！11，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100？3?1000？21，并在压强为100？3?1000？3和氩气气氛下，在25-11内将温度升温至为5001?8001 ； 三、通入氧气，调节氧气的气体流量为108(^111，调节II气的气体流量为508(3(3111?908⑶III，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200？3?500？3，然后在射频功率为751?2251、压强为200？3?500？3和温度为5001?8001条件下进行沉积，沉积时间为30111111?90111111，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，停止通入氧气，在氩气气氛下从温度为5001?8001冷却至室温，即得到纳米片结构的氧化钴电极。
2.根据权利要求1所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，其特征在于步骤一中利用磁控溅射设备在51基底上制备厚度为1011111?100011111的(?镀层。
3.根据权利要求1所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，其特征在于步骤一中利用磁控溅射设备在51基底上制备厚度为10011111的(?镀层。
4.根据权利要求1所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，其特征在于步骤三中调节氧气的气体流量为108(^111，调节気气的气体流量为508(^111。
5.根据权利要求1所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，其特征在于步骤二中在250111内将温度升温至为6001?6501。
6.根据权利要求1所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，其特征在于步骤二中在25111111内将温度升温至为7001。
7.根据权利要求1所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，其特征在于步骤三中调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为500？3。
8.根据权利要求1所述的一种制备纳米片结构氧化钴电极的方法，其特征在于步骤三中沉积时间为45111111。
【文档编号】H01G11/86GK104445443SQ201410815723
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】亓钧雷, 林景煌, 张兴凯, 谈雪琪, 周玉杨, 冯吉才 申请人:哈尔滨工业大学