[发明专利]一种三维Cu/Co3O4多级纳米线阵列及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种三维Cu/Co₃O₄多级纳米线阵列，通过水热反应使得Co₃O₄纳米线直接生长于泡沫铜基底之上形成多级结构，长在泡沫铜基底上的Co₃O₄纳米线直径<50nm。具体制备方法是将经过表面预处理的泡沫铜置于含有硝酸钴、氟化铵和尿素的混合溶液中，在不同的温度、不同浓度前驱体溶液下采用水热反应法进行反应，从而获得三维的Co₃O₄多级纳米阵列结构，而后在350℃的热处理温度下，经过水热反应的中间体转化成了Co₃O₄，其纳米线的直径<50nm。将该多级纳米阵列结构应用于诸如锂离子电池和锂空气电池等新能源能量存储及转化器件不仅可以得到较高的比容量，还能够明显地改善优化电极的动力学过程。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种三维Cu/Co₃O₄多级纳米线阵列及其制备方法和用途。

背景技术

探索新的电极材料对于发展能够应用于移动电子设备和新能源汽车的新一代锂离子电池等新能源储能及能量转化器件至关重要。过渡金属氧化物由于其较高的理论比容量而受到了大量的研究，其中 Co₃O₄由于其优异的物理化学性能例如890mAh/g的理论比容量而引起了大量关注。然而，正如其他的过渡金属氧化物一样，在充放电过程中锂离子的不断嵌入与脱出会导致Co₃O₄电极容量的迅速衰减，这一现象主要是由于锂离子的不断嵌入脱出而引起Co₃O₄电极材料体积变化并带来电子传输的受阻。为了弥补Co₃O₄电极材料的这一缺点，许多具有结构稳定性的纳米结构被研究人员采用，诸如Co₃O₄纳米线、纳米带、纳米管、纳米片以及微球的形貌都能够保证电极性能的稳定，但是这些结构的Co₃O₄电极的电化学性能尤其是动力学性能还不够于满足其作为新能源汽车动力电池或者是移动电子设备的要求。

正如目前研究所知，诸如锂离子电池等新能源储能及能量转化器件的性能主要是由电池整体的电化学活性和电极材料的动力学性能所决定的，而对于电极材料动力学性能的改善主要通过对电子和离子在电解液/电极界面、电极体相和电极/集流体界面传输过程的控制与优化。对于一般传统的制备工艺而言，浆料旋涂法是一种通过粘结剂来连接电极材料与电解质，电极材料与集流体的常用方法，这种方法的明显缺陷是大量具有电化学活性的表面不能够与电解质有较好的接触，并且还会影响电极与集流体之间电子的传输。因此，基于这一角度的考量促使我们致力于探索一种合理的电极结构既能够保证电解质与电极材料的充分接触又能够使得电子在电解质与集流体之间的传输不受阻碍。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术中的不足之处，提供一种结构合理，具有较高电化学活性的三维Cu/Co₃O₄多级纳米线阵列，这一种结构能够有效克服锂离子不断嵌入脱出而带来体积的变化的不良影响，能够通过三维多级的纳米结构明显地提高电极的电催化活性，能够通过Co₃O₄在泡沫铜基底上的直接生长避免聚合物粘结剂对于电极动力学过程的不良影响。

本发明要解决的另一个技术问题为：提供一种上述三维Cu/Co₃O₄多级纳米线阵列的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：