Co3O4纳米阵列的制备及应用
朱红林，郑岳青*
（宁波大学 化学合成与绿色应用研究所，浙江 宁波 315211）摘要
Co3O4纳米阵列因其特有的性质、丰富的3D结构、多样的形貌、独特的表面界面效应和良好的稳定性等在能量转换与存储、光电催化、气体传感等诸多领域中具有广泛的应用前景而得到广泛研究。对近年来有关Co3O4纳米阵列的制备方法、及其阵列材料在电催化分解水、能量存储与转换、电催化氧还原、光电催化二氧化碳还原、气体传感、一氧化碳氧化、非酶电催化葡萄糖、电磁吸收、疏水分离及有机物降解等研究领域的应用进行了综述。最后，对Co3O4纳米阵列发展过程中尚待解决的问题进行了总结，并对其未来的发展方向进行了展望。
引言
Co3O4作为性能优良的p-型半导体功能材料，其禁带宽度为2.2eV，属立方晶系，具有AB2O4尖晶石型晶体结构。Co3O4独特的结构特点使其在磁性、吸脱附、电导率以及催化等方面表现出特殊的性能，因而在气敏传感器、磁性材料、电化学器件、太阳能转换吸收、电致变色材料、催化剂等领域具有广泛的应用前景[1-5]。传统的Co3O4纳米材料的制备方法如均匀沉淀法、机械球磨法、固相反应法等制备的Co3O4存在颗粒粒径大、电化学性能差且在反应过程易发生团聚等缺点。近年来，借助水热法、电化学沉积法、模板法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积等方法[6]可制备出各种形貌和结构的Co3O4纳米粉体材料[7,8]。研究发现，Co3O4粉体材料的形貌、结构、比表面积对其催化性能有非常大的影响。尽管采用不同的制备方法或改性手段可制得形貌和结构丰富多样的Co3O4粉体材料，但就性能来说其提升的空间始终有限。
不同于粉体纳米材料，纳米阵列材料具有许多无可比拟的优势。首先，纳米阵列是一种整齐有序的纳米材料，具有相对独立的开放空间，不仅有利于提高活性材料的利用率，且保证了材料在反应中得到充分参与；此外，阵列材料一般具有一维、二维、甚至三维结构，不仅使得活性材料不易团聚，且具有较大的比表面积，可为反应提供更多的活性位点，同时为传质和传荷提供有利的途径和通道；再者，活性材料直接生长在基底上，可得到有效固定，从而确保各种反应（如催化反应）的稳定性和可重复性。由此可见，与Co3O4粉体材料相比，Co3O4纳米阵列材料具有独特的优势，如：更好的稳定性、更大的比表面积、更快的电子转移速率、更好的催化性能等[9-11]。近年来，有关Co3O4纳米阵列设计制备及其在催化等领域的应用引起了众多的关注、并有了长足的发展[12, 13]。本文综述了Co3O4纳米阵列的制备方法及催化等领域的应用。同时，对目前Co3O4纳米阵列发展过程中尚待解决的问题进行了总结，并针对其关键所在提出策略，最后对未来的发展方向进行了展望。
目录
1 Co3O4纳米阵列的制备
1.1 水热法
1.2 配合物前驱体法
1.3 电化学沉积法
1.4 气相沉积法
2 Co3O4纳米阵列的应用
2.1 电催化分解水
a. LSV曲线(OER)[43]曲线1～4分别为：MOF、Co3O4-NA、IrO2/C、Co3O4C-NA；
b. LSV曲线(HER)[47]曲线1～3分别为：Co3O4-NA、Pt/C、Co3O4-NW
图1 LSV曲线(OER和HER)
Fig.1 LSV curves (OER and HER)
2.2 能源存储与转换
a、b为电化学性质图[51]，曲线1、2、3分别为第1次循环、第2次循环和第3次循环；
c、d为超级电容性能图[31]，曲线1和2分别为Co3O4NAs和Co3O4/CNAs
图2 Co3O4纳米线阵列电化学性质图和超级电容性能图
Fig.2 Electrochemical characteristics andthe curve of suprecapacities for Co3O4 nanowiresarrays
2.3 氧还原（ORR）催化剂
2.4 气体传感材料
2.5 光电催化二氧化碳还原
2.6 一氧化碳氧化
2.7 非酶电催化葡萄糖
2.8 电磁吸收材料
2.9 油水分离材料
2.10 有机物降解
3 总结与展望
结论 综上所述，一系列形貌和结构多样的初级和多级Co3O4纳米阵列已成功制备，其独特的纳米阵列结构使得Co3O4纳米材料的性质得到了显著提升。然而，目前Co3O4纳米阵列的制备、性质及应用仍然存在若干亟待解决的问题，如：1）Co3O4纳米阵列材料的性能仍然不够理想，离实际应用仍有很大距离；2）尽管已发展出一系列制备Co3O4纳米材料阵列的方法，但所有这些制备方法仍处于“Trial-and-Error（试错）”阶段，显然在理念上与特定结构、特定性能阵列的设计和可控制备相距甚远；3）Co3O4纳米阵列的形成机理尚不明确，尤其是纳米阵列的生长和组装对基底材质存在特殊的“选择性”要求，所以如何开发不受基底材质制约、适用性强、可大规模生产的Co3O4纳米阵列的可控制备方法仍是目前纳米阵列材料研究所面临的艰巨挑战；4）有关Co3O4纳米材料阵列形貌、结构与性能间的相关性研究并未得到应有的重视，显然严重阻碍了特定结构、特定性能Co3O4纳米材料阵列可控制备的发展，因而在策略和依据上为进行Co3O4纳米材料阵列的可控制备难以提供有说服力的支撑。 因此，针对上述这些问题，认为应从下列若干方面进行深入探索与研究：1）考察影响Co3O4纳米阵列形成、形貌和结构的因素，开展揭示Co3O4纳米阵列形成机理的研究；2）进行形貌和结构特定的MOF前驱体阵的探索与开发，构建形貌和结构特定的多级Co3O4纳米材料阵列；3）开展Co3O4纳米材料阵列形貌、结构与性能间的相关性研究，建立明晰的“构-性”关系，开发出高性能Co3O4纳米材料阵列的可控制备方法；4）开展Co3O4纳米材料阵列新应用领域的探索。
