[发明专利]一种四氧化三锰纳米管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种四氧化三锰纳米管及其制备方法，四氧化三锰纳米管内径在4～10nm之间，外径为20～50nm,管长在200nm～5μm之间。制备方法先采用水热法合成氢氧化镁纳米管模板，采用离子交换的方法温和制备了四氧化三锰纳米管，无需煅烧过程。本发明采用的离子交换法很好地保持了原模板的管状形貌，并且该方法温和、简便，具有工业化应用前景。

技术领域

本发明属于无机纳米材料领域，特别涉及一种四氧化三锰纳米管及其制备方法。

背景技术

材料的组成、形貌和晶相很大程度上决定了材料的功能性。相同组成但不同形貌的纳米材料具有显著不同的性质。一维纳米结构金属氧化物包括纳米棒、纳米线、纳米管，具有优异的化学稳定性和热稳定性。纳米管为中空纳米棒，具有可调的管壁厚度、高比表面积和限域作用，展现出高效的物质传导能力和富集效应。近年来，一维金属氧化物的合成方法得到了广泛拓展，包括但不限于水热法、超声辐射、静电纺丝、溶胶凝胶法、固态化学反应。

Mn₃O₄是一种重要的催化材料，由于其高催化活性、稳定性和廉价易得等特点，广泛应用于一氧化碳氧化、甲烷氧化等反应体系中。Mn₃O₄可用作催化剂载体材料，如季伟捷教授将Au纳米颗粒均匀地负载到不同形貌的Mn₃O₄上(立方体Mn₃O₄、八面体Mn₃O₄、和六方片状Mn₃O₄)，能够显著地增强以苯为代表的VOCs催化氧化活性。研究发现，可还原性的金属氧化物可以为Au颗粒提供反应氧物种。除此之外，Mn₃O₄广泛应用在锂离子电池电极中，与石墨构成复合材料用于提升电极材料的可逆容量和高电流密度下的稳定容量。由于Mn₃O₄具有高理论容量(937mA h g^-1)，几乎是石墨材料的3倍，且具有放电电位低、含量丰富、廉价易得、低毒性等优势，将Mn₃O₄与石墨相复合可作为具有应用前景的锂离子电池替代材料。中国专利CN111799462A采用NaCl和SiO₂小球作为模板，葡萄糖作为碳源，制备了石墨烯和Mn₃O₄纳米管复合材料。然而，该方法步骤繁琐、且需要碱洗除去反应模板，制备的MnO₂需要煅烧才能进一步生成Mn₃O₄纳米管。

在众多的方法中，离子交换法是一种温和简便的方法而受到广泛关注。我们课题组在前期研究基础上，使用Mg(OH)₂纳米管作为模板，采用离子交换法，无需高温煅烧可得Mn₃O₄纳米管。该方法简单实用、成本低、具有工业化应用前景。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的缺陷，提供一种四氧化三锰纳米管及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种四氧化三锰纳米管，所述四氧化三锰纳米管以氢氧化镁纳米管为反应模板，通过锰盐溶液与氢氧化镁纳米管进行阳离子交换，之后经碱洗得到四氧化三锰纳米管。

进一步的，四氧化三锰纳米管的内径在4～10nm之间，外径为20～50nm,管长在200nm～5μm之间。

一种四氧化三锰纳米管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Mg(OH)₂纳米管加入到锰盐水溶液中室温搅拌1～60h，过滤干燥，得阳离子交换的纳米管；

(2)将步骤(1)得到的纳米管加入到碱溶液中，室温搅拌1～10h，过滤干燥，得Mn₃O₄纳米管。