[发明专利]MnO2纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，特别涉及MnO₂纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

二氧化锰是一种多晶型氧化物，结构复杂。目前公认的二氧化锰的微观结构是1个锰原子和6个氧原子配位形成二氧化锰的基本结构单元[MnO6]八面体，锰原子位于八面体中间。二氧化锰中由于[MnO6]八面体的不同链接方式，晶体结构存在α-MnO₂，β-MnO₂，δ-MnO₂，ε-MnO₂等多种变体。二氧化锰由于具有能量密度高、比表面积高、价格低廉以及环境友好等特性，成为在超级电容器材料中最具有应用潜力的过渡金属氧化物。

纳米二氧化锰具有双层电容和法拉第赝电容两种电荷存储方式，这种储存能量的过程主要是基于电荷在其表面的吸附与脱附二发生氧化还原反应的过程。二氧化锰理论容量可以达到1370F/g。提高二氧化锰的电导率，制备多孔、薄膜或复合材料，从而获得较大的比表面积，是纳米二氧化锰作为电极材料所追寻的路径之一。

目前，二氧化锰材料的种类丰富多样，如纳米花、空心球、纳米线、纳米管、纳米棒等。一般的二氧化锰纳米结构比电容在200F/g左右，能量密度10Wh/Kg、功率密度50W/Kg;电位窗口1.8V，循环1000次保持80%左右。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种结构可控的MnO₂纳米复合材料及其制备方法，所述纳米材料的电化学循环性能稳定，比容量较高。

本发明公开了一种MnO₂纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将含锰纳米材料分散于高锰酸钾溶液中，进行水热反应，得到MnO₂纳米复合材料；

所述含锰纳米材料为MnOOH纳米线、α-MnO₂，β-MnO₂或Mn₃O₄。

优选的，所述水热反应后还包括洗涤和干燥。

优选的，所述高锰酸钾的浓度为0.01～0.05mol/L。

优选的，所述含锰纳米材料的质量与高锰酸钾溶液的体积之比为（5～50mg）：（40～100mL）。

优选的，所述高锰酸钾溶液的PH值为3～8。

优选的，所述水热反应的温度为120～160℃。

优选的，所述水热反应的时间为1～30小时。

本发明公开了一种MnO₂纳米复合材料，其特征在于，以β-MnO₂为核，平行或交错的片状δ-MnO₂层包裹于所述β-MnO₂外围。

优选的，所述δ-MnO₂层的厚度为40～60nm。

与现有技术相比，本发明MnO₂纳米复合材料的制备方法为：将含锰纳米材料分散于高锰酸钾溶液中，进行水热反应，得到MnO₂纳米复合材料；所述含锰纳米材料为MnOOH纳米线、α-MnO₂，β-MnO₂或Mn₃O₄。所述含锰纳米材料可以与高锰酸钾反应或者本身发生晶型变化得到β-MnO₂，高锰酸钾自分解得到平行或交错的片状δ-MnO₂，δ-MnO₂包裹在所述β-MnO₂外围，形成MnO₂纳米复合材料。所述MnO₂纳米复合材料具有介孔的层状结构，保证了充足的比表面积，即暴露出更多的Mn-O活性位点，有利于充放电过程中进行氧化还原反应。该结构的材料作为电极使用时，有利于充放电过程中电解液离子的传输和扩散，时的电解液离子和活性物质的充分接触，从而促进比电容增加，能量密度大，电化学循环性能稳定。进一步的，本发明还可以通过控制高锰酸钾溶液的浓度、反应时间和反应温度来控制MnO₂纳米复合材料的形态和尺寸。实验结果表明，本发明的MnO₂纳米复合材料比容量为250～306.6F/g，1000循环后电容量依然能够保持在原容量的90%以上。

附图说明

图1为实施例1制备的MnO₂纳米复合材料的XED图谱；

图2为实施例1制备的MnO₂纳米复合材料的SEM图；