[发明专利]一种MnO2纳米片自组装纳米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米管的制备方法领域，特别涉及MnO₂纳米片自组装纳米管及其制备方法。

背景技术

二氧化锰是一种过渡金属氧化物，其基本结构单元是由1个锰原子和6个氧原子配位组成的六方密堆积结构，在密堆积结构中，各原子层形成四面体和八面体的空穴。二氧化锰结晶化合物中锰的价态以+4价为主，同时可能存在少量的+3和+2价的锰。由于二氧化锰结构中Mn³⁺和Mn⁴⁺之间的相互转化趋势极易晶体结构内部缺陷的存在，因此其具有可变的氧化价态，具有高能量密度、高比表面积等优点，因此被广泛应用于电池、超级电容器、电致变色、有机电化学合成等领域。

纳米二氧化锰具有双层电容和法拉第赝电容两种电荷存储方式，这种储存能量的过程主要是基于电荷在其表面的吸附与脱附而发生氧化还原反应的过程。如果每一个锰原子都存储或放出一个电子，那么其电容值可达到1370F/g。提高二氧化锰的电导率，制备多孔、薄膜或复合材料，从而获得较大的比表面积，是纳米二氧化锰作为电极材料所寻求的路径之一。

目前，一般采用水热法、模板法、溶胶-凝胶法或电沉积法制备得到结构丰富多样的纳米二氧化锰材料。纳米二氧化锰的结构包括：纳米花、空心球、纳米线、纳米管等。在这些结构中，纳米管本身凭借其内外比表面积和管式结构，能够提供充分、快速的离子通道及电化学循环稳定性。但是现有结构中的纳米管仅仅是一维结构的单晶纳米管，其比容量一般低于300F/g，循环1000次后还能保持80%左右。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种MnO₂纳米片自组装纳米管的制备方法，得到的纳米管比表面积大，电化学性能优越。

本发明公开了一种MnO₂纳米片自组装纳米管的制备方法，包括以下步骤：

（A）将高锰酸钾溶液均匀分散于聚碳酸酯模板中，得到混合体系；

（B）将所述混合体系进行水热反应，分离水热反应后的模板并用二氯甲烷溶解，离心分离，得到MnO₂纳米片自组装纳米管。

优选的，所述步骤（A）中，将高锰酸钾均匀分散于聚碳酸酯模板前，还包括：将所述聚碳酸酯模板用0.5～1.5M的盐酸进行处理。

优选的，所述步骤（A）中，所述聚碳酸酯模板与盐酸的体积比为1：（1～5）。

优选的，所述步骤（A）中，所述高锰酸钾溶液的浓度为0.01～0.05mol/L。

优选的，所述步骤（A）中，所述聚碳酸酯模板为聚碳酸酯薄膜。

优选的，所述步骤（B）中，所述水热反应的温度为100～160℃。

优选的，所述步骤（B）中，所述水热反应的时间为1～24小时。

优选的，所述步骤（A）中，所述均匀分散的方法为超声处理。

优选的，所述步骤（B）中，所述离心分离后，还包括：洗涤干燥。

本发明还公开了一种由上述技术方案所述的方法制备得到的MnO₂纳米片自组装纳米管，其特征在于，所述纳米管的管壁为片层交织结构，具有介孔。

与现有技术相比，本发明将高锰酸钾溶液均匀分散于聚碳酸酯模板中，得到混合体系；将所述混合体系进行水热反应，分离水热反应后的模板并用二氯甲烷溶解，离心分离，得到MnO₂纳米片自组装纳米管。

本发明中，高锰酸根离子首先在聚碳酸酯模板的孔道内形核，然后在水热条件下，高锰酸根与聚碳酸酯发生反应，自分解产生MnO₂纳米片，随着水热时间的延长，MnO₂纳米片在PC模板的孔道约束下形成片状交织的纳米管结构。得到的纳米管管壁为片层交织结构，具有介孔，因此其比表面积大，可以提供更多的活性点用于充放电过程中的氧化还原反应，介孔结构又有利于充放电过程中的电解液离子的传输和扩散，更加充分的使得电解液离子和活性物质的接触，从而促进比容量的增加。实验结果表明，本发明得到的MnO₂纳米管电化学性能优越，比容量最高可达365F/g；3000循环后保持在原有容量的90.4%，且循环后纳米管结构保持完整。

附图说明

图1为制备MnO₂纳米片自组装纳米管的流程图;

图2为实施例1制备的MnO₂纳米片自组装纳米管的XRD图谱;