[发明专利]一种α相二氧化锰纳米棒及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种α相二氧化锰纳米棒及其制备方法和应用，属于电极材料制备技术领域。

背景技术

二氧化锰具有丰富的资源，是能源和电子等领域中的一种重要原料，广泛地应用于电池，超级电容器，光催化等领域。特别是二氧化锰的电容行为和二氧化钌等贵金属相似程度很高，并拥有高达1370F/g的理论容量，因而被认为是理想的超级电容器电极材料，最有希望取代贵金属氧化物。二氧化锰的这些应用很多是源于它的多种结晶晶型包括α-，β-，δ-，γ-相。另外研究表明，通过利用纳米控制技术构筑一维结构(纳米线，纳米棒，纳米带，纳米管)可以显著的提高二氧化锰的性能。基于以上两点考虑，生产制造具有固定晶型的一维结构二氧化锰就变得非常必要。目前，一维结构二氧化锰的制备方法主要有模板剂法，水热合成法，电沉积法。可是采用上述方法制备二氧化锰纳米棒的问题是工艺过程复杂，反应条件苛刻，产品收率低，导致产品成本高，不适合规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种α相二氧化锰纳米棒的制备方法，该制备方法是以高锰酸钾为氧化剂，以无机锰盐为还原剂，采用常压回流反应法，通过控制添加剂的用量及回流时间等反应条件，制备出α相二氧化锰纳米棒。利用该方法制备可以制备晶型稳定的α相二氧化锰，且所制备的α相二氧化锰具有高电容器性能。

本发明解决问题的技术方案是：一种α相二氧化锰纳米棒的制备方法为常压回流反应法，其工艺步骤如下：

称取高锰酸钾和无机锰盐，分别溶于去离子水中配制成溶液；在强烈搅拌下向无机锰盐溶液中缓慢加入高锰酸钾溶液；称取添加剂配制成溶液后加入到反应溶液中；加热反应溶液，沸腾回流2～3小时，冷却至室温，过滤，洗涤，干燥即得到α相二氧化锰纳米棒。

上述反应过程中，添加剂溶液是将添加剂加入到去离子水中配制成的溶液。

上述反应过程中，无机锰盐优选为氯化锰或硫酸锰。

上述反应过程中，优选高锰酸钾与无机锰盐的摩尔比为2∶3，进一步优选高锰酸钾溶液浓度为0.04mol/L，无机锰盐溶液浓度为0.06mol/L。

上述反应过程中，添加剂优选为重铬酸钾，进一步优选添加剂的质量为高锰酸钾质量的5％～15％。

在没有加入添加剂重铬酸钾的反应条件下，获得片状γ相二氧化锰。γ相二氧化锰向α相二氧化锰纳米棒转变的过程需要经历结晶晶型及形貌的改变，添加剂为强氧化剂，能够提供结晶晶型及形貌转变所需能量，通过溶解再结晶反应机理，最终得到α相二氧化锰纳米棒。

上述反应过程中，添加剂的质量进一步优选为高锰酸钾质量的10％。添加剂的添加量过高会导致纳米棒严重聚集，降低反应表面积。添加剂的添加量过低，会导致回流反应时间增加。

本发明的另一目的是提供由上述方法制备的α相二氧化锰纳米棒，α相二氧化锰纳米棒直径为50～100nm，长度为0.5～2μm。

本发明的又一目的是提供采用上述方法制备的α相二氧化锰纳米棒在制备电极上的应用：

一种电极，其制备方法如下：将α相二氧化锰纳米棒、乙炔黑和聚四氟乙烯按质量比7∶2∶1混合，加入丙酮使三者充分混合，制成浆状，滚压成薄片并裁取10mg的薄片压在泡沫镍上制成电极片，然后在真空干燥箱中110℃下真空干燥12h。

α相二氧化锰纳米棒组装的电极表现出较佳的电化学电容器性能，在1mol/L氢氧化钾溶液中电流为0.5A/g恒电流充放电时的电容值为170～290F/g。

与现有技术相比较，采用本发明的技术方案所达到的有益效果是：

该制备方法工艺过程简单，反应条件温和，常压下操作，不需要使用水热合成器以及有机模板剂。原料来源丰富，方便，适合规模化生产。产品纳米棒直径大小50～100nm，长度0.5～2μm，分散性好，比表面积大，采用本方案可制备出结晶性良好的α相二氧化锰纳米棒。材料的一维棒状结构能够保证充分地与电解液接触，增加了反应表面积改善了固液界面上的离子扩散。α相二氧化锰纳米棒提高了电化学电容器的容量，改善了电容器快速充放电和使用寿命等性能。二氧化锰纳米棒也可以用于电池的正极材料，光化学反应的催化剂，还可以用于其他工业领域。因此，以本发明公开的方法制备的α相二氧化锰在超级电容器，电池，催化反应以及其他工业领域具有重要应用前景。

附图说明

本发明附图5幅，

图1是实施例1制备的α相二氧化锰纳米棒的XRD图；

图2是实施例1制备的α相二氧化锰纳米棒的SEM图；