[发明专利]一种锰氧化物纳米棒的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米功能材料制备的技术领域。

背景技术

纳米技术是20世纪90年代发展起来的一个覆盖面广、多学科交叉的科学研究和产业领域，当材料的尺寸进入纳米量级时，由于粒子尺寸的减小会产生某些粒子尺寸相关的效应，如表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，使纳米材料具有许多与体材料所不同的物理化学性质。近年来，随着经济的发展和人口的增长，能源与环境问题越来越突出，而纳米技术的快速发展为解决能源与环境危机提供了无尽的机遇及广阔的前景。锰氧化物作为一种含量丰富的资源，具有多种氧化价态，它的优异性质使其在催化、电池、磁学和吸附等领域得到广泛地应用。以锰氧化物作为锂电池的正极材料不仅对环境没有污染，且具有能量密度高、造价低廉、安全性好等优点。锰氧化物微波吸收材料能消除或屏蔽电子设备所引起的电磁辐射，净化人们的生活环境。作为一种高效、廉价、环境友好型的催化剂，锰氧化物能够氧化有机物和分解氮氧化合物，对废气、废水的处理有很好的作用。近来锰氧化物纳米材料的研究受到了人们的广泛地关注，锰氧化物纳米材料的微观结构如维度、尺寸、形貌对于器件的光、电、磁、催化等性能有很大的影响。而采用简单便于工业化的合成方法来制备颗粒细小、尺寸均匀、形貌均一、分散度高的纳米材料，是制备高性能材料器件的前提。目前有很多关于制备锰氧化物纳米材料的方法，比如化学沉淀法，水热(溶剂热)法，溶胶-凝胶法、氧化还原法等。但大多数传统的方法只能合成出氧化价态比较单一的锰氧化物。

近年来，利用溶剂热法制备碱式氧化锰纳米材料受到了人们的方广泛关注。中国专利CN101851008A用高锰酸钾溶解在N,N-二甲基甲酰胺中通过溶剂热反应获得碱式氧化锰纳米棒，但方法以大量的N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，对环境污染大。张卫新等人在期刊《晶格生长杂志》第263期394～399页中描述了一种制备碱式氧化锰的方法，该方法以高锰酸钾和乙醇为原料，利用溶剂热法获得直径为50nm～500nm，长几十微米的纳米棒，但该方法产物直径较大，且分布不均匀。杨德仁等人在期刊《材料快报》第60期3895～3898页中描述了一种以硫酸锰与氢氧化钠为反应原料、十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂在200℃下水热处理20小时制备碱式氧化锰纳米棒的方法，但该法的周期比较长，反应温度较高，并额外用到表面活性剂。

而本方法以高锰酸盐与乙二醇为原料，在较低的水热温度(120～150℃)和较短的时间(3～10小时)下制备出直径在10nm～130nm，最长达6μm的棒状碱式氧化锰，随后通过在不同的煅烧条件下对所制备的棒状碱式氧化锰煅烧得到不同价态不同尺寸的锰氧化物纳米棒。

发明内容

为了解决现有的溶剂热法制备碱式氧化锰纳米棒中所存在的制备周期长、温度高、直径大以及尺寸不均一的问题，本发明提供了一种碱式氧化锰纳米棒的制备方法，并在不同的煅烧条件下通过对棒状碱式氧化锰前驱体的煅烧得到不同价态不同尺寸的锰氧化物纳米棒。

具体的技术方案包括以下步骤：

步骤一、制备前驱体碱式氧化锰纳米棒：

1)称取高锰酸盐溶于水中，使溶解后水中的高锰酸根离子的浓度为8.52×10^-4～1.71×10^-3mol·L^-1；所述的高锰酸盐为高锰酸钾、高锰酸钠和高锰酸钙中的1～3种；

2)加入乙二醇，高锰酸盐与乙二醇的摩尔比为1∶143～240，混合均匀后转移至反应釜中；

3)在120～150℃条件下反应3～10小时；

4)固液分离，洗涤、干燥，得到碱式氧化锰纳米棒；

步骤二、将碱式氧化锰纳米棒在400～700℃下煅烧4～8小时得到锰氧化物纳米棒。

优选地，当煅烧温度为400～700℃，在保护气氛下煅烧产物为Mn₃O₄纳米棒；煅烧温度为600～700℃，空气气氛下煅烧产物为Mn₂O₃纳米棒；煅烧温度为400～500℃，空气气氛下煅烧产物为MnO₂纳米棒。

优选地，高锰酸盐为高锰酸钾。

本发明的有益效果：

1、本发明所用的水热法具有反应时间短、温度低的特点；

2、本发明所得到的产物具有直径小的特点；且产物尺寸分布均匀；

3、本发明方法操作简单，通过调节煅烧气氛和煅烧温度可以得到不同成分的锰氧化物纳米棒，具有形貌易控、重复性好等优点。

附图说明