一种立方体结构的多孔二氧化锰材料及其制备方法与应用技术

技术编号:20162733 阅读:24 留言:0更新日期:2019-01-19 00:15
本发明专利技术公开一种立方体结构的多孔二氧化锰材料的制备方法,包括下列步骤:将锰盐、尿素溶解在水中,得到溶液1;在溶液1中加入有机溶剂,搅拌,得到混合液2;在混合液2中加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌,待溶液澄清后转入溶剂热反应釜;进行溶剂热反应;分离,洗涤,干燥,得到前驱体材料;将前驱体材料煅烧,得到材料。本方法具有污染小、工艺简单、易量产、成本低等优点。本发明专利技术还公开了一种采用上述方法制备的立方体结构的多孔二氧化锰材料,孔径为2‑30nm,立方体结构的边长为1‑2μm,具有电化学活性高、导电性强等优点。本发明专利技术还公开了一种上述材料在在超级电容器中作为电极材料的应用,具有比电容高、倍率性能高、循环性能好等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种立方体结构的多孔二氧化锰材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及材料
,具体涉及一种立方体结构的多孔二氧化锰材料及其制备方法与应用。
技术介绍
二氧化锰由于资源储量丰富、价格低廉、环境友好等优点,被广泛应用于储能、环境治理等领域,成为研究热点。纳米、微米尺度的二氧化锰材料,由于具有比表面积大等优点,在熔点、磁性、光学、导热、导电特性等方面的性能往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。与此同时,多孔结构的二氧化锰材料也因其优异的性能而广受关注。超级电容器,因其具有功率密度大、循环寿命长和倍率性能强以及环境友好等特点受到了人们的重点关注。但是超级电容器性能的优劣强烈依赖于电极材料,在众多电极材料中,二氧化锰因其具有可变化学价态多、理论比容量高、环境友好、价格低廉等优点备受瞩目。然而,作为超级电容器的电极材料,尽管二氧化锰有着超高的理论比容量(1400F/g),但自身较差的导电性,严重影响了其电化学性能,难以实现商业应用。设计和制备微米/纳米结构的二氧化锰材料,是提升其电化学性能常见的方法。如公开公告号为CN104591289A公开的一种高电化学活性规整类立方体状二氧化锰及其制备方法,将高锰酸钾溶液在阴离子表面活性剂存在下,通过酸性介质中用铜做还原剂通过水热法制备而成,由于这种规整类立方体状形貌其内部具有空心结构而有利于电子和离子的传输,具有良好的电化学活性。然而,这种二氧化锰材料内部虽然具有空心结构,但其空心结构为整体的空心结构,整体空心结构的二氧化锰材料比表面积仍比较小,导致活性位点减少,电化学活性降低;而且,整体空心结构会导致单位体积内二氧化锰的量大幅降低,进而降低了材料的体积比容量;此外,这种材料的平均粒径为3-4μm,本身的比表面积较小,活性位点少,一定程度上也降低了电化学活性。在制备方法上,用到高锰酸钾溶液,生产过程危险性大,有毒有害,难以大规模生产。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于,针对现有技术的不足,提出一种污染小、操作简单、易于量产、低成本的立方体结构的多孔二氧化锰材料的制备方法,其特征在于包括下列步骤:步骤一:将锰盐、尿素溶解在水中,得到溶液1;所述锰盐可溶于水;步骤二:在溶液1中加入有机溶剂,搅拌,得到混合液2;步骤三:在混合液2中加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌,待溶液澄清后转入溶剂热反应釜;步骤四:进行溶剂热反应;步骤五:分离,洗涤,干燥,得到前驱体材料;步骤六:将前驱体材料煅烧,得到立方体结构的多孔二氧化锰材料。作为优选,所述步骤一中:所述锰盐为氯化锰,所述锰盐中锰元素与尿素的摩尔比为1∶1,所述锰盐中锰元素与水的比例为0.01mol∶(2-10)mL。作为优选,所述步骤二中:所述有机溶剂为乙二醇或乙醇,所述有机溶剂与溶液1的体积比为(5-15)∶1,所述搅拌的时间为0.2-1h。作为优选,所述步骤三中:所述聚乙烯吡咯烷酮与所述步骤一中锰盐中锰元素的比例为(20-60)g∶1mol。作为优选,所述步骤四中:所述溶剂热反应的温度为150-200℃,所述溶剂热反应的时间为4-10h。作为优选,所述步骤五中:所述干燥为在60-80℃下烘干。作为优选,所述步骤六中,所述煅烧在400℃下进行,包括:(1)在氮气和氧气的体积比为10∶(0.5-1)的混合气氛中煅烧0.5-1h;(2)在氮气和氧气的体积比为10∶2的混合气氛中煅烧5-8h;(3)在纯氧气或空气气氛下煅烧0.5-1h。本专利技术的另一个目的在于,针对上述现有技术的不足,提出一种采用上述方法制备的多孔结构、单个二氧化锰颗粒尺寸小、比表面积大、活性位点多、利于电子和离子传输、电化学性能良好的立方体结构的多孔二氧化锰材料。本专利技术的另一个目的在于,针对现有技术的不足,提出一种立方体结构的多孔二氧化锰材料在超级电容器中作为电极材料的应用,表现出良好的电化学性能。本专利技术提供的一种立方体结构的多孔二氧化锰材料的制备方法,具有如下有益效果:1、未采用高锰酸钾等强氧化性物质,污染小;通过简单的溶剂热反应和煅烧制备,工艺简单,容易实现量产,成本低。2、步骤一中:锰盐优选氯化锰,污染小且成本低;优化锰盐中锰元素与尿素的摩尔比为1∶1,从而优化了前驱体材料中碳锰元素的摩尔比,进而优化了立方体结构的多孔二氧化锰材料的孔隙率;锰盐中锰元素与水的比例为0.01mol∶2-10mL,优化了锰元素的浓度,防止了溶剂热过程中局部锰浓度过高而导致前驱体材料部分变性或者粒径分布不均,同时尽量提高了锰元素的浓度,提升产量。3、步骤二中:优化有机溶剂为乙二醇或乙醇,污染小,而且可以通过调整两种溶剂的比例,控制溶液粘度,进而优化最终得到的材料的电化学性能;所述有机溶剂与溶液1的体积比为5-15∶1,确保溶剂热反应生成目标前驱体材料,减少副反应的同时尽可能减少有机溶剂的用量;优化搅拌的时间为0.2-1h,确保混匀并防止副反应发生。4、步骤三中:优化聚乙烯吡咯烷酮与步骤一中锰盐中锰元素的比例为20-60g∶1mol,确保溶剂热反应生成目标前驱体材料,减少副反应的同时尽可能减少聚乙烯吡咯烷酮的用量。5、步骤四中:优化溶剂热反应的温度为150-200℃,反应的时间为4-10h,确保溶剂热反应生成目标前驱体材料,减少副反应的同时降低能耗。6、通过优化步骤六中煅烧在400℃下进行,并进一步优化不同气氛和煅烧时间,使制备得到的立方体结构的多孔二氧化锰材料为多孔结构,并且可以通过调整煅烧时间及氧气含量控制多孔结构的孔径数量、大小和分布,进而提升制备所得材料的电化学性能。本专利技术提供的一种立方体结构的多孔二氧化锰材料具有如下有益效果:1、该二氧化锰材料为多孔结构,整体的微米结构相当于由大量纳米尺径的二氧化锰颗粒构建而成,具备纳米尺径的二氧化锰颗粒的优点且不会因团聚而导致活性降低;与实心或空心结构相比,大幅提升了材料的比表面积,增加了大量的活性位点,增大了溶液与活性物质的接触面积,同时减小了电子和离子的传输途径,提升了电化学活性;与空心结构相比,单位体积内二氧化锰的量大幅提升,体积比容量高;通畅的离子通道以及颗粒微米化均有利于电极材料倍率性能的提高,使得二氧化锰的导电性增强。2、多孔结构的孔径为2-30nm,属于介孔尺度,孔径大小合适,电解液能够快速进入微结构内部,有利于电子和离子的传输;孔径分布较广,能很好地适用于含有各种添加剂的电解液,发挥良好的电化学性能。3、立方体结构的边长为1-2μm,本身的比表面积较大,活性位点较多,一定程度上提升了电化学活性;而且,微米级的边长长度,很好地防止了团聚现象。本专利技术提供的一种立方体结构的多孔二氧化锰材料在超级电容器中作为电极材料的应用具有如下有益效果:1、比电容高,在2mVs-1电位扫速下,比电容达到361Fg-1;2、倍率性能良好,电流密度从0.2Ag-1增大到2Ag-1,比电容降低幅度较小;3、循环性能良好,经过1000次充放电循环后比电容保持率超过88%。附图说明图1是本专利技术实施例1制备得到的立方体结构的多孔二氧化锰材料的X射线衍射分析结果图。图2是本专利技术实施例1制备得到的立方体结构的多孔二氧化锰材料的扫描电镜表征结果图。图3是本专利技术实施例1中制备得到的立方体结构的多孔二氧化锰材料的氮气吸脱附等温线和孔径分布曲线图。具体实施方式以下是本专利技术本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种立方体结构的多孔二氧化锰材料的制备方法,其特征在于,包括下列步骤:步骤一:将锰盐、尿素溶解在水中,得到溶液1;步骤二:在溶液1中加入有机溶剂,搅拌,得到混合液2;步骤三:在混合液2中加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌,待溶液澄清后转入溶剂热反应釜;步骤四:进行溶剂热反应;步骤五:分离,洗涤,干燥,得到前驱体材料;步骤六:将前驱体材料煅烧,得到立方体结构的多孔二氧化锰材料。

【技术特征摘要】
1.一种立方体结构的多孔二氧化锰材料的制备方法,其特征在于,包括下列步骤:步骤一:将锰盐、尿素溶解在水中,得到溶液1;步骤二:在溶液1中加入有机溶剂,搅拌,得到混合液2;步骤三:在混合液2中加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌,待溶液澄清后转入溶剂热反应釜;步骤四:进行溶剂热反应;步骤五:分离,洗涤,干燥,得到前驱体材料;步骤六:将前驱体材料煅烧,得到立方体结构的多孔二氧化锰材料。2.根据权利要求1所述的一种立方体结构的多孔二氧化锰材料的制备方法,其特征在于:步骤一中:所述锰盐为氯化锰,所述锰盐中锰元素与尿素的摩尔比为1∶1,所述锰盐中锰元素与水的比例为0.01mol∶(2-10)mL。3.根据权利要求2所述的一种立方体结构的多孔二氧化锰材料的制备方法,其特征在于:步骤二中:所述有机溶剂为乙二醇和/或乙醇,所述有机溶剂与溶液1的体积比为(5-15)∶1,所述搅拌的时间为0.2-1h。4.根据权利要求3所述的一种立方体结构的多孔二氧化锰材料的制备方法,其特征在于:...

【专利技术属性】
技术研发人员:高云芳管立郑德洲徐新
申请(专利权)人:浙江工业大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1