[发明专利]低温水热法制备二氧化锰纳米片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化锰纳米片的制备方法，尤其涉及一种低温水热法制备二氧化锰纳米片的方法，主要用于超级电容器的电极材料。

背景技术

随着人类文明的飞速发展，世界人口快速增长，对于传统能源（煤、石油以及天然气）的需求越来越大，由于传统能源不可再生的特性，自身过度消耗以至于其陷入了即将消耗殆尽的困境，更加严重的是，煤、石油和天然气的使用造成了严重的环境污染问题。这些环境问题已经给人类生存，社会发展带来了巨大的威胁，人类也不得不承受环境污染所带来的种种恶果。因此，开发可再生新能源，及清洁能源是世界各国一直面临的重要挑战。目前，新能源主要有核能、生物能、氢能、风能以及海洋能等。新兴能源的优势明显，首先，新能源属于清洁能源，合理利用可以减少环境污染，而且产生较少废料；其次，新能源储量丰富，能够满足未来经济和社会发展的需求。然而，新能源不是一经拿来就可以直接使用，发展有效利用新能源技术尤为重要。

储能装置是新能源技术中不可或缺的一环。传统的电能存储装置是静电电容器和各种类型的电池。静电电容器储能少，但可在短时间内输入或者输出能量，具有非常高的功率密度。电池可以将化学能转化为电能，具有很高的能量密度，然而其放电功率有限，输出功率低，因此限制了电池的使用。近年来广泛研究的电能存储器件主要包括锂离子电池和超级电容器。

目前用于超级电容器的电极材料的有碳材料，如碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯等；导电聚合物，如聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等；金属氧化物，如氧化钌，氧化钴，氧化锰等。由于二氧化钌比较昂贵，且有毒，廉价的金属氧化物变成了最好的替代品。经研究，二氧化锰是电化学性能较为接近二氧化钌的贱金属氧化物，且资源丰富，对环境无污染。二氧化锰的制备方法有：液相沉淀法、溶胶凝胶法、低温固相法、电沉积法以及模板法等。然而高温高压的反应条件不利于二氧化锰产量化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温水热法制备二氧化锰纳米片的方法。

一、二氧化猛纳米片的制备

以高锰酸钾为锰源，乙二醇为还原剂，以十二烷基磺酸钠为表面活性剂，在常压下低温水热反应而得。其具体制备工艺如下：将高锰酸钾溶解在水中，形成高锰酸钾溶液，再加入表面活性剂搅拌均匀后，缓慢滴加乙二醇并搅拌均匀；然后升温至40~120℃，搅拌反应60~120min；反应产物经洗涤干燥，即得二氧化锰纳米片。

表面活性剂十二烷基磺酸钠（SDS）的用量为高锰酸钾质量的1~5%。

还原剂乙二醇的用量为高锰酸钾质量的5~10%。

二、二氧化锰纳米片的结构和貌表征

1、X射线衍射（XRD）分析

图1为本发明制备的二氧化锰纳米片的X射线衍射分析图。由图1可以看出在2θ值为28.5°，38.5°以及65.1°出现衍射峰，分别对应(400)，(211)，(521)晶面。对照标准比对卡JCPDS44-0141对比可得，其特征峰与α-MnO₂峰值吻合，表明该锰氧化物是典型的α-MnO₂晶型。图中还显示该二氧化锰材料的衍射峰宽化严重，峰强度较弱，表明这种材料结晶性不好，结晶程度不高，是典型的晶型结构不完整的无定型结构。

2、红外光谱（IR）分析

图2为本发明制备的二氧化锰纳米片的IR分析图。其中a为未添加表面活性剂二氧化锰纳米片的红外曲线，b为添加表面活性剂后二氧化锰纳米片的红外曲线。由图2可以看出，在a曲线上，在波数为517cm^-1是典型的Mn-O振动峰。在1420cm^-1出现的是以化学吸附水的形式存在的羟基振动峰，说明所制备的锰氧化物均含有结晶水。从b曲线可以看出，两个样品的出峰位置相同，表面活性剂的添加量并未影响样品成分，唯一不同是在517cm^-1处峰形较为尖锐，峰强度更强，而M80的峰型宽而圆润，说明添加表面活性剂后，对材料成分并没有改变，但是对结构有一定影响，这和XRD分析结果一致。

3、扫描电镜（SEM）分析