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摘要：Co3O4作为一种重要的过渡金属氧化物，因其良好的导电性、较低的价格和较高的理论比容量，被认为是超级电容器电极的理想材料。本研究采用微乳化法制备Co3O4电极材料，并通过循环伏安、恒流充放电等方法探究其电化学性能。实验结果表明，优化条件下制备的Co3O4在1 A/g电流密度下的比电容达到323 F/g。

关键词：超级电容器；Co3O4；微乳化法；水热法

1.引言

随着全球对可持续能源解决方案的需求不断增长，可再生能源技术的发展势头迅猛。在这一背景下，超级电容器因其卓越的充放电速率、长循环寿命和高功率密度而成为研究的热点。超级电容器能够在极短的时间内存储和释放能量，这使得它们在许多应用领域，如电动汽车、便携式电子设备、以及电网能量管理和存储系统中，展现出巨大的应用潜力[1]。Co3O4，即四氧化三钴，作为一种过渡金属氧化物，因其高理论比容量、良好的导电性、环境友好以及成本效益等特性，成为超级电容器电极材料的有力候选者[2]。

本研究的核心目标是通过微乳化法来制备Co3O4材料。微乳化法是一种利用微乳液技术合成纳米材料的方法，它能够在纳米尺度上精确控制材料的尺寸和形态，从而优化其电化学性能。通过这种方法，我们可以合成具有特定形貌和尺寸分布的Co3O4纳米结构，这些特性对于提高电极材料的比表面积、缩短离子扩散路径以及增加活性位点具有重要作用。

通过本研究，我们期望能够深入理解Co3O4纳米材料在超级电容器中的电化学行为，为开发新一代高性能超级电容器电极材料提供科学依据和技术支持。此外，这项研究还可能为其他能源存储和转换领域的材料设计和优化提供参考。

2.实验方法

2.1 Co3O4电极材料的合成

将 2 g CTAB 于磁力搅拌下溶于 V ml（ V=20，30，40，60 ）环己烷与 2 ml 正丁醇的混合溶液中。再加入 3 ml 0.8 mol/L 的草酸水溶液，得到的透明的微乳液。将微乳液超声 1 h，加入 1 ml 2 mol/L Co（NO3）2·6H2O 水溶，40℃水浴反应 8 h。将得到的沉淀物离心洗涤后置于真空干燥箱干燥。随后将干燥的沉淀在马弗炉中 400 ℃煅烧 3 h，所得到的黑色固体物质即 Co3O4。

2.2 电极片的制备

将剪成一定大小的条状泡沫镍清洗、干燥和称量并后，按活性物质：乙炔黑：PTFE=85：10：5 的质量比来制作电极片。把混合物放在玻璃片上用玻璃棒擀压成薄片后用电动压片机进行压片。将压好的电极片置于 60 ℃的真空干燥箱中干燥。

3. 结果与讨论

通过XRD（图1a和1c）可知，前驱物为草酸钴二水合物（CoC2O4·2H2O），经过煅烧处理后，转化为了Co3O4。扫描电子显微镜图像（图1b和1d）显示，前驱物呈现均匀的纳米棒状结构，直径约为223.1nm，长度约为15 μm，具有很好的分散性和光滑的表面。煅烧后的Co3O4保持了前驱物的棒状结构，直径减小至约86.1 nm，长度约为1.8 μm，分散性良好，分布均匀。

Co3O4纳米棒状结构能够减小在循环过程中体积膨胀对电极材料结构的破坏性，有利于活性材料在多次循环后仍然保持与初始循环时相似的形貌结构，故对产物的循环性能有利。

由图2可以观察到Co3O4的循环伏安曲线有两对明显的氧化还原峰，分别与电极表面的两个氧化还原反应相对应，其中，第一对氧化还原峰 A1/C1 的出现归因于Co3O4 与CoOOH 之间的转化[27]，如公式1所示：

Co3O4 + OH- → 3CoOOH + e−（公式1）

第二对氧化还原峰与 CoOOH 和 CoO2 之间的可逆氧化还原反应相对应，如公式2所示：

CoOOH + OH- ↔ CoO2 + H2O + e−（公式2）

由图2b可知。随着扫描速率有 5 mv/s 增加到 50 mv/s，循环伏安曲线中不仅峰电流也增加，并且氧化还原峰的位置也逐渐移动，这种由扫描速率决定溶液和电极电阻在转换电位时对电流响应值的改变，也表明所测的电容是以氧化还原电容为主。此外，当扫描速率减小时，循环伏安图中的两对氧化还原峰越来越明显，并且氧化峰与还原峰之间的距离越来越接近 59 mV，表明当扫描速率减小时，活性电极材料的可逆性越来越好。

由图2c可计算得到Co3O4材料在不同电流密度下比电容，在 1 A/g、2 A/g、5 A/g、10 A/g 时的比电容分别为 323 F/g、320 F/g、291 F/g、267 F/g。

由图2d结果可知，油相的量对微乳液结构的影响十分显著，因而对所制备的产品的电化学性能影响较大，当环己烷的量为 40ml 时所制备的 Co3O4 活性电极材料的电化学性能最好

图2油相为40 ml制备的Co3O4 a）扫速为5mV/s时循环伏安曲线b）不同扫速下循环伏安曲线c）不同电流密度下放电曲线，d）不同油相体积下制备Co3O4的容量对比

4.结论

本文采用微乳化法制备了得纳米Co3O4。以硝酸钴为钴源、环己烷为油相、CTAB 和正丁醇分别为表面活性剂和助表面活性剂、草酸为沉淀剂的条件下制备了前驱物，前驱物经过煅烧可制得产物纳米四氧化三钴。并考察了油相的量对材料电化学性能的影响。实验结果表明，优化条件下制备的Co3O4在1 A/g电流密度下的比电容达到323 F/g。

5.参考文献

[1] Karthikeyan， S.， et al. Supercapacitor： Evolution and review[J]. Materials Today： Proceedings， 46 （2021）： 3984-3988.

[2] Haase， Felix T.， et al. Size effects and active state formation of cobalt oxide nanoparticles during the oxygen evolution reaction[J]. Nature Energy， 7.8 （2022）： 765-773.

[3] L.J. Jiang，C. Liang.， et al. Synthesis of sphere-like Co3O4 nanocrystals via a simple polyol route[J]. Material Letters， 61 （2007）： 4894-4896.

女，民族：汉，籍贯，学位：博士，职位：高级研发工程师，职称，研究方向：废旧动力电池回收，单位