[发明专利]一种多孔三氧化二锰立方块及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔三氧化二锰立方块及其制备方法和应用，属于无机材料化学制备技术领域。

背景技术

三氧化二锰属于体心立方结构，是一种非常重要的功能金属氧化物材料，近年来在光催化、离子交换、分子吸附、生物传感和能源储存等方面取得了重要的应用。三氧化二锰作为一种锂离子电池电极材料，具有价格低、比容量高、热稳定性好以及工作电压低等优势，引起了人们的广泛关注。

目前，各项研究主要通过调控三氧化二锰的表面性质、内部构造、尺寸和形貌来提高其储锂性能。三氧化二锰的纳米线、纳米棒、纳米管和纳米颗粒等结构已经出现相关的报道或者专利。中科大的钱逸泰教授等人利用水热的方法合成出了三氧化二锰纳米片，并将其制作成电极测试了储锂性能[Xing Zhang,Yitai Qian,Yongchun zhu,Kaibin Tang,Nanoscale,2014,6,1725-1731]。上述报道大多采用水热法，反应所需温度高、时间长、产量低，并且制备得到的三氧化二锰属于纳米尺寸，在充放电过程中会发生颗粒团聚，造成电极损坏，在实际生产中不利于大规模应用。

因此，进一步调控三氧化二锰的尺寸、形貌和内部结构，并改进其制备工艺和条件，具有十分重要的应用意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足提供一种多孔三氧化二锰立方块及其制备方法和应用，该方法所需原料较之前报道的更加常见，制备方法简单，且三氧化二锰颗粒产量大，应用于制备锂离子电池电极表现出优异的电化学性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多孔三氧化二锰立方块，所述的多孔三氧化二锰立方块，其平均尺寸为0.4～2μm，多孔结构包括大孔和小孔，大孔孔径为25～48nm，小孔孔径为5～8nm。

所述多孔三氧化二锰立方块的制备方法包括以下步骤：

(1)在可与水互溶的有机溶剂中溶解高锰酸钾，配制浓度为0.0125～0.15mol/L的高锰酸钾溶液，在去离子水中溶解碳酸盐，配制浓度为0.2～3mol/L的碳酸盐水溶液，将配制的高锰酸钾溶液和碳酸盐水溶液按体积比1:0.1～1:2.5均匀混合；

(2)将步骤(1)得到的混合溶液置于60～100℃恒温反应5～24h，反应过程中在敞开体系中冷凝回流，高锰酸钾发生还原反应，得碳酸锰灰白色沉淀；

(3)将步骤(2)中得到的碳酸锰沉淀转移到马弗炉中，在空气气氛中，温度为500～700℃的条件下煅烧2～20小时，碳酸锰沉淀在空气中被氧化，释放出二氧化碳气体，得多孔三氧化二锰立方块。

根据上述技术方案，所述有机溶剂是乙二醇、二乙二醇和聚乙二醇200中的一种或者几种，选用几种有机溶剂时，可按任意比例进行混合。所述的碳酸盐为碳酸氢铵、碳酸铵和碳酸钾中的一种或者几种，选用几种碳酸盐时，可按任意比例进行混合。

根据上述技术方案，所述恒温反应的优选温度为70～90℃，优选恒温时间为7～15h，所述煅烧过程的优选升温速度为2℃/min，优选煅烧温度为520～620℃，优选煅烧时间为4～10h。

根据上述方案制备的多孔三氧化二锰立方块，应用于锂离子电池正极，表现出良好的电化学性能。

根据上述方案制备的多孔三氧化二锰立方块，将多孔三氧化二锰与一水氢氧化锂按摩尔比为Li:Mn＝1:2混合均匀，在空气气氛下600～850℃下煅烧8～25小时，得到多孔锰酸锂立方块，所述多孔锰酸锂立方块可应用于制备锂离子电池正极材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明涉及的原料安全、无污染，使用的高锰酸钾、碳酸盐和有机溶剂为常用药品，没有使用有毒有害的有机表面活性剂和添加剂。

(2)本发明在恒温槽上低温进行反应，能耗少，对反应容器没有特别的限定，反应安全稳定，重复性高，产量非常大，满足实际生产应用的要求。

(3)本发明可以通过调节制备过程中水的含量来调控多孔三氧化二锰立方块的尺寸，在高锰酸钾浓度一定的情况下，产物尺寸随反应溶液中水含量的增加而增大。

(4)本发明制备的多孔三氧化二锰立方块具有分级孔结构(分为大孔和小孔)，应用于制备锂离子电池负极，可提供更多的嵌锂/脱锂活性位点，缩短锂离子的传输路径，提高了锂离子电池的电化学性能，满足实际生产中对高储能器件的需求。

(5)本发明制备的多孔三氧化二锰立方块和氢氧化锂混合煅烧制备得到多孔锰酸锂立方块，应用于制备锂离子电池正极，表现出优异的电化学性能。

附图说明