[发明专利]一种纳米碳酸锰/石墨烯水凝胶复合物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料，特别是一种纳米碳酸锰/石墨烯水凝胶复合物及其制备方法。

背景技术

近年来，具有独特微观形貌的纳米材料控制合成受到了广泛关注。其中，碳酸锰颗粒，由于其在制备金属锰、锰合金、高纯四氧化三锰、颜料、软磁铁氧体等领域具有广泛前景而备受青睐。文献公开报道的碳酸锰颗粒制备方法主要有超声、沉淀或水热/溶剂热等方法：吕春玲等人在《硅酸盐学报》, 2007, 35(3): 377-380发表的“亚微米碳酸锰的制备及形貌控制”一文中，提出以控制超声频率，浓度以及温度，即可控制碳酸锰形貌，该技术方案虽然操作简单，但还存在不足：                                               不易形成高纯度的碳酸锰晶体；长时间的超声高频率对人体具有一定的伤害。粟海锋等人在《过程工程学报》, 2008, 8(2): 280-284发表的“球形碳酸锰微晶制备过程中的形貌控制”一文中，提出以硫酸锰和碳酸氢胺为原料，采用低温化学沉淀法制备碳酸锰球形颗粒。该技术方案虽然初步探讨了碳酸锰微晶的生长机理，但存在的不足是：反应需要置于低温恒温水浴箱中进行，在高温下难以得到分散性好的碳酸锰粒子；容易引入杂质，影响碳酸锰的纯度；形成的碳酸锰粒径均为微米级而不是纳米级，限制了碳酸锰的应用范围。蒋春芳等人在《广西师范大学学报》, 2007, 25(1): 58-61发表的“水热条件下由配体分解制备碳酸锰晶体”一文中，提出利用三聚氰胺与氯化锰水热条件下，得到碳酸锰晶体，为碳酸锰的合成提供了另一条路径。但仍存在以下不足：三聚氰胺在水热条件下不稳定，极易发生分解反应；通过改变溶液酸碱性，都可以得到碳酸锰，但是其中的分解机理尚不明确；形成的碳酸锰晶体未体现其应用价值。以上所述，如何制备得到分散性好、具有良好应用性能且达到纳米级的碳酸锰晶体成为重大难题。

石墨烯是近年来发现的碳的新的同素异形体，是一种独特的二维纳米材料。具有优异的导电性能、机械特性、良好的化学稳定性、大的长径比及较大的比表面积等，但石墨烯极易堆栈，未能充分表现其优异的性能。徐超等人在“Graphene-metal particle nanocomposites”中提出将金属（Au、Pt、Pd）负载于石墨烯片层上，可得到分散性好的Pd纳米粒子，该复合物不仅剥离了石墨烯片，而且对乙二醇还原氧化石墨烯具有一定的催化作用。Donghai Wang等人在“Ternary Self-Assembly of Ordered Metal Oxide-Graphene Nanocomposites for Electrochemical Engery Storage”中提出自组装法将金属氧化物（SnO₂、NiO、MnO₂）负载于石墨烯片层上，得到石墨烯基复合物薄膜，其中SnO₂/石墨烯复合物薄膜具有高的比能量密度，在锂电池方面存在一定的应用。苏海芳等人在《化学研究》, 2012, 02期发表的“Mn₃O₄/氧化石墨烯纳米复合物的制备及其超级电容器”一文中提出利用锰前驱体与氧化石墨原位反应制备了Mn₃O₄/氧化石墨烯纳米复合物，该复合物具有较高的比电容和较长的循环寿命。李江华等人在《中国化学会第28届学术年会第五分会场摘要集》, 2012年发表的“原位弱氧化法制备Co₃O₄/石墨烯纳米复合物作为超级电容器电极材料”摘要中提出利用原位弱氧化法制备得到了石墨烯表面分散均匀的Co₃O₄纳米颗粒，该复合材料表现了较好的能量储存性能。但所述的这些方法，均未能充分利用石墨烯较大比表面积的特点，且操作复杂，测试时需外加导电性物质，不利于提高成品的电化学性能。

为了克服这些不足，若将碳酸锰与石墨烯复合制得纳米碳酸锰/石墨烯水凝胶复合物，不仅可以解决纳米碳酸锰极易团聚的问题，而且还具有阻止石墨烯片层重堆栈的优势，从而充分利用石墨烯较大比表面积的特点。目前还没有发现将碳酸锰与石墨烯复合制得纳米碳酸锰/石墨烯水凝胶复合物的研究。综上所述，如何克服现有技术存在的不足已成为纳米复合材料领域中亟待解决的重大难题。

发明内容