一种银离子预嵌入锰氧基纳米线及其制备方法、应用技术

本发明专利技术属于纳米材料制备领域，涉及一种银离子预嵌入锰氧基纳米线及其制备方法、应用。首先是制备出合适的二氧化锰材料作为前驱体，我们选用硫酸锰和高锰酸钾为原料，采用沉淀法合成制备出二氧化锰纳米棒状材料作为后续水热反应的前驱体。采用水热合成法来进行银离子预嵌入锰氧基材料的合成制备，水热合成法具有操作简单、反应条件可控、所得纳米材料粒径均匀等优势，通过合理控制反应时间与反应温度进行形貌调控，最终获得期望形貌。

【技术实现步骤摘要】
一种银离子预嵌入锰氧基纳米线及其制备方法、应用
本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及一种银离子预嵌入锰氧基纳米线及其制备方法。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。近年来，随着社会对能源需求的不断增大，不可再生能源被逐渐消耗，也由此带来了严重的环境污染问题。因此，需要发展可再生能源和建立稳定高效可持续的清洁能源储存与转化系统来解决上述问题。但是，以风能、太阳能和潮汐能等为代表的可再生能源转化效率低且受地域时间等的限制，难以快速取代化石能源。因此，亟需研究和开发稳定高效的能源储存系统以满足市场需求。在目前的市场中，锂离子电池能量密度高，超级电容器功率密度高、循环寿命长，它们凭借各自独特的优势在众多储能器件中脱颖而出。但是锂离子电池有限的功率密度和循环寿命以及超级电容器较低的能量密度使得单一器件无法满足市场中某些领域对于储能器件高功率和高能量密度的需求。因此，混合超级电容器应运而生。混合超级电容器是一种新型储能器件，一极采用电池型电极作为能量源，另一极采用电容型电极作为功率源，期望结合两者的优势，同时获得高能量密度与高功率密度。锰氧基材料作为一种备受研究者关注的电极材料，具有以下诸多优点：(1)锰元素价态丰富，作为一种过渡金属元素，锰具有5个未配对电子，因此它具有最多的氧化态；(2)种类多样，锰氧基材料可以形成各种不同类型的氧化物，如Mn2O3、MnO2、MnO等；(3)理论比容量高，锰氧化物具有较高的理论比容量，约在1100-1300Fg-1之间；(4)储量丰富价格低廉，与价格昂贵的二氧化钌相比，具有较大的成本优势。二氧化锰作为一种典型的具有赝电容储能行为的电极材料，具有丰富的晶体结构，如一维隧道结构、二维层状结构和三维尖晶石结构。但是其储能过程中的电化学反应发生在材料的表面或近表面处，二氧化锰材料有限的比表面积和活性位点限制了其比容量的发挥，进而导致较低的活性材料利用率。因此，如何提高活性物质利用率以及提高其比容量进而提升电容器设备整体的功率密度是锰氧基材料的一个重要研究方向。针对这一关键问题，研究者们进行了大量的研究。湖北大学万厚钊等人专利技术了一种金属阳离子插层结构的锰氧化物电极材料，采用的是电化学法，以金属盐水溶液为电解质，浓度为0.1-10mol/L，以负载在集流体上的锰氧化物为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂片为对电极，在0-1.3V的工作电压下进行了电化学反应，所制备得到的金属阳离子插层结构的锰氧化物用于金属二次离子电池或超级电容器电极材料。万厚钊等人专利技术的金属阳离子插层结构的锰氧化物的制备过程采用电化学循环伏安法，该方法需要在三电极体系下完成，在大规模生产应用方面较难实现，难以实现真正的商业化。本专利技术中并没有提及所得产物的晶体结构信息。天津大学于一夫等人利用高温煅烧法制备了一种钙锰氧化物材料，先用水热合成法制备二氧化锰管材料，然后将二氧化锰管与硝酸钙混合均匀后再进行高温煅烧，得到尺寸均一的钙锰氧化物颗粒。其中，水热反应温度为130-150℃，时间为10-12小时；高温煅烧温度为800-900℃。于一夫等人先用水热法制备二氧化锰管材料再进行固相反应得到钙锰氧化物材料，但专利技术人发现：过程较为繁琐；且高温煅烧所需温度较高，能量消耗大，成本也较高，不符合当前环保绿色生产的要求。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术提供了一种低成本、易操作的制备银离子预嵌入锰氧基材料的方法。首先是制备出合适的二氧化锰材料作为前驱体，我们选用硫酸锰和高锰酸钾为原料，采用沉淀法合成制备出二氧化锰纳米棒状材料作为后续水热反应的前驱体。采用水热合成法来进行银离子预嵌入锰氧基材料的合成制备，水热合成法具有操作简单、反应条件可控、所得纳米材料粒径均匀等优势，通过合理控制反应时间与反应温度进行形貌调控，最终获得期望形貌。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一个方面，提供了一种银离子预嵌入锰氧基纳米线，所述纳米线为银锰氧纳米线，长度在0.1微米到10微米之间。本专利技术研究发现：选择银离子作为嵌入离子来进行晶格调控，将所得材料用于锂离子和钠离子超级电容器时可获得优异的电化学性能。将该二氧化锰前驱体作为锰源，再通过与合适的能提供银离子的材料相匹配，进行水热反应，最终得到结晶性良好、形貌均匀、尺寸合适的银离子预嵌入银锰氧纳米线材料，并将其用做水系锂离子和钠离子混合超级电容器电极材料。本专利技术的第二个方面，提供了一种银离子预嵌入锰氧基纳米线的制备方法，包括：以二氧化锰纳米棒状材料作为二氧化锰前驱体，与银盐混合均匀，进行水热反应，反应完成后，固液分离，干燥，得到银离子预嵌入锰氧基材料。本专利技术首先要通过纳米化的方法增大其比表面积，增加活性位点的数量，使其能与电解液充分接触，发挥出优异的电化学性能。除了减小颗粒尺寸外，本专利技术还通过离子预嵌入的方法来对晶体结构进行调控，提供较大的可供离子快速脱嵌的离子通道，进一步提高了电极材料比容量。本专利技术提供了一种简便高效的银离子预嵌入锰氧基材料的制备方法，实现了锰氧基材料的电化学性能的提升，并且该方法可用于大规模生产。本专利技术的第三个方面，提供了任一上述的银离子预嵌入锰氧基纳米线在制备混合超级电容器、电池、电极中的应用。由于本专利技术制备的材料用于锂离子和钠离子超级电容器时可获得优异的电化学性能，因此，有望在混合超级电容器、电池、电极中得到广泛的应用。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术低成本地实现了对氧化锰材料的形貌调控和晶格调控，本专利技术制备得到的银离子预嵌入银锰氧纳米线材料是一种新型的材料结构，可以用于水系混合超级电容器的正极材料。(2)本专利技术将电极材料纳米化有助于减小颗粒尺寸，提高材料的比表面积，暴露出更多的活性位点，有利于电化学反应的进行。其中一维纳米线结构具有较大的体积比表面积，能够为离子提供一维传输通道，通过对反应温度、保温时间等水热合成反应条件的合理把控，来对纳米线的长度进行调控。(3)本专利技术利用层间工程预嵌入金属阳离子可以扩大晶面间距，为离子脱嵌提供更加宽阔稳定的通道，使电极材料获得更高的比容量和倍率性能。通过将金属阳离子嵌入氧化锰材料晶格中对其进行结构调控，使离子不仅可以在材料近表面处进行脱嵌，还能进入内部脱嵌，大大提升材料的比容量，当其用于水系混合超级电容器的电极材料时，表现出优异的电化学性能，容量提升，倍率性能和长循环稳定性也进一步提高。综上，通过简单的一步水热法实现了银离子在二氧化锰材料中的预嵌入，使其比容量提高，倍率性能增强。本专利技术具有制备过程简单、易操作、高效节能等优点，实现了银锰氧纳米线材料的成功制备，更重要的是实现了对该材料的形貌和晶格调控，实现了其电化学性能的提高。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种银离子预嵌入锰氧基纳米线，其特征在于，所述纳米线为银锰氧纳米线，长度在0.1微米到10微米之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种银离子预嵌入锰氧基纳米线，其特征在于，所述纳米线为银锰氧纳米线，长度在0.1微米到10微米之间。


2.如权利要求1所述的银离子预嵌入锰氧基纳米线，其特征在于，所述纳米线的直径10-30纳米。


3.如权利要求1所述的银离子预嵌入锰氧基纳米线，其特征在于，所述纳米线中锰、银的摩尔比为1～5：1。


4.一种银离子预嵌入锰氧基纳米线的制备方法，其特征在于，包括：
以二氧化锰纳米棒状材料作为二氧化锰前驱体，与银盐混合均匀，进行水热反应，反应完成后，固液分离，干燥，得到银离子预嵌入锰氧基材料。


5.如权利要求4所述的银离子预嵌入锰氧基纳米线的制备方法，其特征在于，所述二氧化锰前驱体的制备方法为：以硫酸锰和高锰酸钾为原料，采用沉淀...

【专利技术属性】
技术研发人员：慈立杰，郝重阳，陈丽娜，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37