[发明专利]一种形貌可控的二氧化锰纳米结构、其制备方法及应用

说明书

本发明公开一种形貌可控的二氧化锰纳米结构、其制备方法及应用，属于无机合成和环境科学技术领域。本发明以表面活性剂为模板剂，以可溶性锰盐为锰源，高价锰盐水溶液与低价锰盐水溶液在不同温度下于反应釜中进行水热反应，沉淀洗涤、干燥后得到二氧化锰纳米结构。采用上述方法制得的纳米二氧化锰工艺简单，且原料成本低、环境友好，可作为As、Cd、Pb、Cu、Co、Ni、Zn、Hg等重金属污染土壤/水体的修复剂，具有良好的修复效果及较强的应用价值。

技术领域

本发明属于无机合成材料技术领域，具体涉及一种形貌可控的二氧化锰纳米结构、其制备方法及应用。

背景技术

二氧化锰（MnO₂）是一种重要的无机功能性材料，是锰系列中最稳定的氧化物，普遍存在于软锰矿中。我国目前作为亚洲锰矿资源储量最大的国家，其来源丰富，原料价廉，环境友好，因而引起了许多科研工作者的广泛关注。由于MnO₂具有独特而优良的物理和化学性质，被广泛地应用于超级电容器、合金不锈钢、生物传感器等材料，在催化、氧化、吸附等领域也受到了极大的关注。而纳米级MnO₂不仅具有过渡金属氧化物的特性，还具备纳米效应，从而赋予其更多的特性及应用。然而，纳米MnO₂的性能取决于形貌、晶型和尺寸，这几种决定因素既相互影响，又相对独立。

目前，合成纳米MnO₂的方法有很多，合成方法的不同，得到的纳米MnO₂的形貌、晶型以及粒径都都由差异。其中，化学固相法分为低温固相、高温固相，前者需经过混合、研磨、离心、焙烧等步骤，较为繁琐；后者在高温下会使得MnO₂失氧而变为Mn₂O₃或Mn₃O₄等低价锰，较少使用。电解法在工业上较为常用，但制得的MnO₂通常结晶度较差，形貌不规则。溶胶凝胶法虽然能得到纯度高、化学均匀性好的纳米MnO₂，但容易受干燥条件的影响，易发生团聚现象。化学沉淀法合成条件简便，原理简单，但反应速度慢，得到的MnO₂晶型单一。尽管科研工作者通过不同的方法合成了不同形貌和晶型的纳米MnO₂，但在相同体系中完成不同形貌纳米MnO₂的可控合成仍具有一定挑战。本发明在同一体系中采用温和的方法制备了形貌可控的MnO₂纳米结构，合成方法简便，并且以此纳米结构为重金属钝化剂，可实现对污染土壤及污水中As、Cd、Pb、Cu、Co、Ni、Zn、Hg等重金属的高效、快速钝化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种形貌可控的二氧化锰纳米结构、制备方法及应用。

基于以上目的，本发明采取的技术方案如下：

一种形貌可控的二氧化锰纳米结构的制备方法，将低价锰盐水溶液和模板剂的混合溶液加入氢氧化钠溶液中，再加入高价锰盐水溶液，在80~240℃进行水热反应8 h ~24h，反应结束洗涤、干燥后即得，其中，所述模板剂添加量为低价锰盐摩尔数的5%~28%，高价锰盐与低价锰盐的摩尔比为1:1.3~2.6。

优选地，所用模板剂为十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十二烷基硫酸钠（SDS）、聚乙二醇（PEG，分子量200-6000）。

优选地，高价锰盐为高锰酸钾或高锰酸钠等高价可溶性锰盐中的一种，低价锰盐为硫酸锰、氯化锰、硝酸锰等低价可溶性锰盐中的一种。

进一步地，氢氧化钠溶液浓度为0.12 mol·L^-1,；高价锰盐水溶液浓度为0.15~1.36 mol·L^-1，低价锰盐水溶液浓度为0.10~1.11 mol·L^-1，模板剂的摩尔浓度为低价锰盐摩尔浓度的5~28%，氢氧化钠溶液、低价锰盐水溶液和模板剂的混合溶液、高价锰盐水溶液三者的体积比为175:45:22。