[发明专利]一种二氧化锰/碳复合纳米管的制备方法

说明书

本发明涉及一种二氧化锰/碳复合纳米管的制备方法，属于新能源材料领域。通过把静电纺丝得到的碳纳米纤维在高锰酸钾溶液中浸泡和高温退火即可得到二氧化锰/碳复合纳米管。浸泡时间是调控二氧化锰负载量的关键因素，对复合纳米管的形貌有很大影响。二氧化锰/碳复合纳米管对废水中铅离子的去除有良好效果，最大吸附量可达283mg/g，在废水处理和超级电容器领域有潜在应用前景。

技术领域

本发明涉及一种二氧化锰/碳复合纳米管的制备方法，属于新能源材料领域。

背景技术

二氧化锰纳米材料具有独特的结构、价格低廉、来源丰富、环境友好等优点，在吸附、催化、超级电容器等领域都有广泛应用。以碳作为基体或支架的二氧化锰/碳复合材料不但增大了材料的比表面积，而且拥有良好的导电性，改善了材料的整体性能。常用的碳基体材料有碳纳米管、石墨烯、活性炭、具有规则孔结构的大孔、介孔碳等，但这些材料价格昂贵。二氧化锰在碳基体上的沉积复合方法包括化学气相沉积、电化学沉积、水相氧化还原等。

化学气相沉积法应用广泛，可以沉积多种物质，但一般需要复杂、昂贵的设备来控制气压、温度、气相组成等。电化学沉积法虽然工艺简单，操作容易, 环境安全, 但影响因素却相当复杂，电流、电压、温度、溶剂、溶液的pH 值及其浓度等因素对产物都有影响。另外, 对于基体表面上晶核的生成和长大速度难以控制，复合层为多晶态或非晶态, 性能不好。水相氧化还原法简单方便，在三维纳米材料的制备中得到普遍应用。例如：纳米片均匀生长在碳纳米管上形成三维自支撑二氧化锰/碳复合片，是一种性能良好的超级电容器电极材料。然而，水热合成时的高温高压反应条件是一种潜在的危险，在大规模工业生产中难以实施。同时，得到的产品的组成难以精确控制。

近年来，二氧化锰/碳复合管状材料引起了人们的极大关注，有人曾根据高锰酸钾可以与碳在温和的条件下反应生成二氧化锰来制备这种材料。例如：采用埃洛石纳米管为模板，先沉积一层碳，然后与高锰酸钾反应生成二氧化锰/碳复合纳米管，再把埃洛石管状模板去掉。此方法的缺点是操作过于繁琐，重现性较差。

通过静电纺丝方法得到的碳纳米纤维具有比表面积大、导电性好，纤维直径可调，能形成大面积连续的片状结构等优点，常常应用于电化学传感器、超级电容器和吸附等领域。然而并没有通过此方法作为基质将其应用于二氧化锰/碳复合纳米管的制备上。

目前，具有大比表面积中空二氧化锰/碳复合纤维结构的纳米管状二氧化锰/碳复合材料仍是研究领域的空白，亟待开发出一种简便易行的方法合成上述特殊结构的二氧化锰/碳复合纳米管制备方法。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明以静电纺丝法得到的碳纳米纤维作为基体，通过调节基体在高锰酸钾溶液中的浸泡时间，沉积二氧化锰，然后在空气中退火后得到纳米管状二氧化锰/碳复合材料。

一种二氧化锰/碳复合纳米管的制备方法，其具体操作如下几个阶段：

第一阶段，静电纺丝：

配制聚丙烯腈（PAN）的二甲基甲酰胺(DMF)溶液，进行静电纺丝；待静电纺丝完成后，从接收板上将PAN纳米纤维膜揭下。

第二阶段，预氧化：

取聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜，在空气氛围下，程序升温至260℃，自然降至室温，得到预氧化的纳米纤维。

第三阶段，碳化：

将预氧化纳米纤维，在惰性气体环境下，程序升温至800℃，自然降至室温，得到碳纳米纤维膜。

第四阶段，二氧化锰复合：

取高锰酸钾加入去离子水中，充分搅拌均匀得到高锰酸钾溶液。将碳纳米纤维膜浸入高锰酸钾溶液中，室温浸泡后，去离子水冲洗，烘干得到二氧化锰复合碳纳米纤维（MnO₂/CNFs）。