[發明專利]一種納米顆粒自組裝形成的二維錳氧化物材料的制備方法

有效

• 申請號: 202011464803.4
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112456560B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 王桂玲;陳俊明;張家杰;張躍躍;馬晨超
• 申請（專利權）人: 安徽科技學院
• 主分類號: C01G45/02
• 分類號: C01G45/02
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 賈寧

發明公開一種納米顆粒自組裝形成的二維錳氧化物材料的制備方法，采用高錳酸鉀與葡糖水熱反應制備碳酸錳，然后通過燒結制備自組裝結構的錳氧化物，最后在經過超聲波破碎分離后得到二維材料錳氧化物材料，該材料為二維層狀結構，納米尺寸為5?20nm，將其制備成電極后，具有較大的放電容量和容量保持率，電化學性能好，制備過程簡單，易于控制，周期短，成本低，適用于大規模工業化生產。

技術領域

本發明屬于錳氧化物材料制備領域，涉及一種納米顆粒自組裝形成的二維錳氧化物材料的制備方法。

背景技術

目前，錳氧化物由于其價格低廉，環境友好，氧化還原活性高，生物可兼容等諸多優點，在能源存儲方面極具應用潛力。但因其電子導電性差，在充放電過程中存在著易分解等諸多問題，使其在高載量或快的充放電速率比容量遠遠低于其理論比容量數值。

隨著研究的不斷發展，現階段增加其導電性的方法是與高導電性的材料(如碳材料)復合和制備具有高活性表面積的錳氧化物材料。二維材料因其特殊的結構特點，表現出了非凡的物理、化學和光電特性，在催化，儲能，納米電子學及傳感領域有廣闊的應用前景。然而，由于高表面能和大層間范德華力的作用，二維材料容易發生堆疊，從而導致性能下降，嚴重影響其進一步應用。現階段通過剝離方法制備出了由納米顆粒自組裝形成的二維錳氧化物材料，鮮見報道。

發明內容

為了克服以上現有技術領域的不足，本發明提供了一種納米顆粒自組裝形成的二維錳氧化物材料的制備方法，采用高錳酸鉀與葡糖水熱反應制備碳酸錳，然后通過燒結制備自組裝結構的錳氧化物，最后在經過超聲波破碎分離后得到二維材料錳氧化物材料，該材料為二維層狀結構，納米尺寸為5-20nm，將其制備成電極后，具有較大的放電容量和容量保持率，電化學性能好。

本發明提供的技術方案如下：

一種納米顆粒自組裝形成的二維錳氧化物材料的制備方法，其特征在于，按照如下的步驟順序依次進行：

(1)MnCO₃制備

取KMnO₄與葡萄糖混合后溶解于乙醇-水的混合溶液中，攪拌10min，然后轉移到反應釜中進行水熱反應；反應完畢后，自然冷卻至室溫后過濾，在80℃的鼓風干燥箱中烘干，記為A；

(2)錳氧化物制備

將A放入馬弗爐中，在空氣氛圍下于300-400℃燒結4h，得到錳氧化物，記為B；

在該步驟中，燒結是分為如下三個階段按照如下程序依次進行的：

第一升溫階段，于2℃/min的升溫速率加熱至80℃，保溫2h；

第二升溫階段，于5℃/min的升溫速率加熱至150℃，保溫2h；

第三升溫階段，于10℃/min的升溫速率加熱至300-400℃，保溫4h；

第四階段，自然冷卻至室溫；

在該過程中，燒結的程序至關重要，其決定著碳酸錳介晶材料的相變、成核、生長及晶粒細化過程，具體如下：在第一階段中，發生自由水的失去變化，升溫速率過快或者過慢，均會影響產品的形貌，具體表現為若升溫速度過快自由水失去過快，容易引起自組裝結構塌陷，使得產品的最終形貌為團聚的納米顆粒，若升溫速度過慢，則在升溫的過程中碳酸錳與氧氣緩慢反應，使得生成的產物純度不高；在第二階段中，發生結晶水的失去，升溫速率相較于第一階段來說需要適當增快，但需要一定的保溫時間，若保溫時間過短，則生成的產物結晶水去除不徹底，若保溫時間過長，則產物易反應生成其他雜相的錳氧化物，影響最終燒結產物的純度，進而會影響其電化學性能；在第三階段中，發生碳酸錳生成三氧化二錳的化學變化，晶粒細化，升溫速率需要比前兩個階段加快，若升溫速度過慢，會降低產物純度；第四階段中，發生產物自然降溫的過程；