CN104261476B - 一种Mn3O4自组装结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Mn3O4自组装结构的制备方法,包括以下步骤:将二价锰盐和醋酸钠加入到多元醇与水的混合物中,搅拌得透明溶液;将上述透明溶液加热到170-220℃,采用溶剂热法制备Mn3O4自组装结构;反应后离心分离、洗涤,得Mn3O4阵列状或花状自组装结构。本发明利用溶剂热法一步合成了Mn3O4三维自组装结构。本发明制备工艺简单、原料低廉、生产成本低、形貌可控性强,重复性好,对Mn3O4三维结构(棒状自组装阵列结构和自组装花状结构)的大批量工业化生产及其实际应用具有重要意义。所得三维结构产量高、可以用于锂离子电池领域,具有很好的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种Mn3O4三维结构的制备方法,具体涉及一种Mn3O4阵列状或花状自组装结构的制备方法。
背景技术
Mn3O4是一种研究广泛的氧化物材料,在催化剂、锂离子电池、分子吸附、气敏材料等方面具有巨大的应用价值。Mn3O4三维结构具有特殊的形貌特征,能够显示出一系列新奇的物理化学性质。Mn3O4三维结构的微观形貌调控已成为现阶段研究的热点问题。
目前,国内外学者关于Mn3O4三维结构的报道较少。文献“Yoshitaka Nakagawa, Hiroyuki
Kageyama, Yuya Oaki, and Hiroaki Imai, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3716-3719.”报道了利用对流自组装法合成油酸修饰的Mn3O4的一、二和三维结构自组装体;文献“Jie Gao, Michael A. Lowe,
and Héctor D. Abruña, Chem.
Mater. 2011, 23, 3223-3227.”报道了通过简单的沉淀法合成海绵状Mn3O4三维结构,应用在锂离子电池阴极材料中显示了优异的性能。
Mn3O4三维结构的研究尚处于起步阶段,理论基础和制备技术均不完备,制备过程复杂,稳定性差,特别是不同形貌的Mn3O4三维结构不易获得,急需探索新的行之有效的合成手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种Mn3O4自组装结构的制备方法,该方法制备过程简单,一步合成,无需惰性气体保护,原材料价格低廉,通过控制反应条件能够得到所需形貌的Mn3O4三维自组装结构,可控性强。
本发明以二价锰盐为锰源,与醋酸钠混合配成透明溶液,然后采用溶剂热法得到Mn3O4三维结构,所述三维结构呈阵列状或花状。通过对锰源的选择、醋酸钠用量的控制、锰源的浓度、溶剂的选择以及溶剂热条件的控制,能够较为简单、可控地得到所需形貌的三维Mn3O4纳米结构,具有很好的工业化应用前景。
本发明具体技术方案如下:
一种Mn3O4自组装结构的制备方法,其特征是包括以下步骤:
(1)将二价锰盐和醋酸钠加入到多元醇与水的混合物中,搅拌得透明溶液;
(2)将上述透明溶液加热,采用溶剂热法制备Mn3O4自组装结构;
(3)反应后离心分离、洗涤,得Mn3O4自组装结构。
上述制备方法中,所得Mn3O4自组装结构为Mn3O4棒状自组装阵列结构(阵列状)或Mn3O4自组装花状结构(花状)。
上述步骤(1)中,二价锰盐与醋酸钠的摩尔比为1:3-20。醋酸钠对形貌的形成有重要作用,锰盐与醋酸钠的摩尔比是控制Mn3O4三维结构形貌和尺寸的重要因素之一。当锰盐与醋酸钠的摩尔比为1:3-8.5时,得到的是Mn3O4棒状自组装阵列结构;当锰盐与醋酸钠的摩尔比为1:9.5-20时,得到的是Mn3O4自组装花状结构。
上述步骤(1)中,多元醇与水的体积比为1:0.5-1.5。其中,多元醇为丙三醇或丁三醇。
上述步骤(1)中,所述二价锰盐为锰的硝酸盐或卤化物。
上述步骤(1)中,二价锰盐在透明溶液中的浓度为0.06-0.15 mol/L。
上述步骤(2)中,溶剂热法的温度为170-220℃。
上述步骤(2)中,溶剂热法的反应时间为6-30 h。
本发明的制备方法,能够在无模板的情况下合成Mn3O4三维自组装结构,且自组装阵列结构中的Mn3O4棒的长度与自组装花状结构中花瓣的大小可调。所述Mn3O4三维自组装结构均由不同尺寸的结构单元微纳米材料紧密排列而成。Mn3O4棒状自组装阵列结构由大小均匀、取向一致、排列紧密的Mn3O4棒自组装而得。自组装阵列结构表面平整,形态均匀性好,阵列表面各Mn3O4棒之间存在一定的孔隙。自组装阵列结构的阵列面积为10-500 μm2,高度为0.5-30 μm。所述Mn3O4自组装花状结构的大小为3-50 μm。每个自组装花状结构由多个、微米级尺寸的、排列紧密的花瓣自组装而得。自组装花状结构中的花瓣数目有多有少,少的有20个左右,多的能达200个左右。
本发明棒状自组装阵列结构的结构单元为Mn3O4棒(纳米棒或微米棒),结构单元的直径为0.05-2 μm,长度为0.5-30 μm。每个自组装阵列中的Mn3O4棒尺寸基本一致。所述自组装花状结构的花瓣的大小为0.5-8 μm。
本发明上述方法中,锰盐与醋酸钠的摩尔比,以及反应所用的溶剂体系(醇水溶液体系)对Mn3O4自组装体形貌的形成有重要作用。通过它们的配合,可以得到所需的自组装形式。此外,通过调整锰盐的浓度、溶剂热法的温度和时间等可以调整自组装结构中Mn3O4棒的长度或Mn3O4花瓣的大小,这些条件的选择也可以使自组装阵列中的Mn3O4棒的尺寸更为均匀、排列更为紧密、取向更为均一,使Mn3O4花状结构中的花瓣大小更为均匀一致,形貌更为规整。
本发明利用溶剂热法一步合成了Mn3O4三维自组装结构。本发明制备工艺简单、原料低廉、生产成本低、形貌可控性强,重复性好,对Mn3O4三维结构(棒状自组装阵列结构和自组装花状结构)的大批量工业化生产及其实际应用具有重要意义。所得三维结构产量高、可以用于锂离子电池领域,具有很好的发展前景。
附图说明
图1为本发明实施例1合成的Mn3O4棒状自组装体的扫描电镜(SEM)图片。
图2为本发明实施例1合成的Mn3O4棒状自组装体的X射线衍射(XRD)图谱。
图3为本发明实施例1合成的Mn3O4棒状自组装体的磁滞回线(VSM)图谱。
图4为本发明实施例6合成的Mn3O4花状自组装体的扫描电镜(SEM)图片。
图5为本发明实施例6合成的Mn3O4花状自组装体的X射线衍射(XRD)图谱。
图6为本发明实施例6合成的Mn3O4花状自组装体的磁滞回线(VSM)图谱。
图7为本发明对比例1合成的产物的扫描电镜(SEM)图片。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步的阐述,下述说明仅为了解释本发明,并不对其内容进行限定。
实施例
1
1.1将0.495 g的四水合氯化锰、1.457 g的醋酸钠加入到12.5 mL的丙三醇和12.5 mL的水中搅拌至澄清;
1.2 将上述溶液转移到反应釜中,在180 ℃下反应16 h;
1.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到产物。
产物的SEM图如图1所示,从图中可以看出,所得产物是由直径和长度类似的多根Mn3O4棒按同一取向紧密排列自组装而成的阵列结构,阵列表面平整,单个Mn3O4棒的直径为0.2-0.6 μm,长度为1.9-3.2 μm,自组装阵列结构的面积为40-80 μm2。产物的XRD图如图2所示,XRD结果与标准XRD卡(24-0734)保持一致,证明所得产物的晶相为Mn3O4相。产物的磁滞回线如图3所示,可以得到产物的磁学性能良好,其磁饱和强度为0.0748 emu/g,矫顽力为62.56 Oe。
实施例
2
2.1将0.628 g的四水合硝酸锰、1.180 g的醋酸钠加入到7 mL的丁三醇和10 mL的水中搅拌至澄清;
2.2 将上述溶液转移到反应釜中,在210 ℃下反应20 h;
2.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤,得到由直径为0.6-1.1 μm,长度为9-15 μm的Mn3O4棒紧密连接而成的棒状自组装体阵列结构,自组装阵列结构的面积为100-150 μm2。
实施例
3
3.1将0.628 g的四水合硝酸锰、0.620 g的醋酸钠加入到11 mL的丙三醇和15 mL的水中搅拌至澄清;
3.2 将上述溶液转移到反应釜中,在170 ℃下反应8 h;
3.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤,得到由直径为0.09-0.22 μm,长度为0.8-2.1 μm的Mn3O4棒紧密连接而成的棒状自组装体阵列结构,自组装阵列结构的面积为15-30 μm2。
实施例
4
4.1将0.495 g的四水合氯化锰、0.728 g的醋酸钠加入到12.5 mL的丙三醇和12.5 mL的水中搅拌至澄清;
4.2 将上述溶液转移到反应釜中,在180 ℃下反应16 h;
4.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到产物。
产物的SEM图如图4所示,从图中可以看出,得到由直径为0.5-1.3 μm,长度为12-19 μm的Mn3O4棒紧密连接而成的棒状自组装体阵列结构,自组装阵列结构的面积为110-160 μm2。
实施例
5
5.1将0.628 g的四水合硝酸锰、1.740 g的醋酸钠加入到20 mL的丁三醇和15 mL的水中搅拌至澄清;
5.2 将上述溶液转移到反应釜中,在220 ℃下反应12 h;
5.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤,得到由直径为0.8-1.5 μm,长度为15-21 μm的Mn3O4棒紧密连接而成的棒状自组装体阵列结构,自组装阵列结构的面积为130-180 μm2。
实施例
6
6.1将0.495 g的四水合氯化锰、2.914 g的醋酸钠加入到12.5 mL的丙三醇和12.5 mL的水中搅拌至澄清;
6.2 将上述溶液转移到反应釜中,在180 ℃下反应16 h;
6.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤后后得到产物。
产物的SEM图如图4所示,从图中可以看出,所得产物是由大小为1.1-6.2 μm的多个Mn3O4花瓣紧密连接排列自组装而成的花状结构,花状结构的大小为14-18 μm。产物的XRD图如图5所示,XRD结果与标准XRD卡(24-0734)保持一致,证明所得产物的晶相为Mn3O4相。产物的磁滞回线如图6所示,可以得到产物的磁学性能良好,其磁饱和强度为0.2857 emu/g,矫顽力为57.53 Oe。
实施例
7
7.1将0.628 g的四水合硝酸锰、1.950 g的醋酸钠加入到10 mL的丙三醇和5 mL的水中搅拌至澄清;
7.2 将上述溶液转移到反应釜中,在170 ℃下反应26 h;
7.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤,得到Mn3O4自组装花状结构,花状结构的大小为10-14 μm,每个花瓣的大小为0.8-5.1 μm。
实施例
8
8.1将0.495 g的四水合氯化锰、3.025 g的醋酸钠加入到14 mL的丁三醇和19 mL的水中搅拌至澄清;
8.2 将上述溶液转移到反应釜中,在210 ℃下反应8 h;
8.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤,得到Mn3O4自组装花状结构,花状结构的大小为12-16 μm,每个花瓣的大小为1.5-4.8 μm。
实施例
9
9.1将0.495 g的四水合氯化锰、4.100 g的醋酸钠加入到10 mL的丁三醇和8 mL的水中搅拌至澄清;
9.2 将上述溶液转移到反应釜中,在200 ℃下反应15 h;
9.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤,得到Mn3O4自组装花状结构,花状结构的大小为11-15 μm,每个花瓣的大小为1.1-4.2 μm。
对比例
1
1.1将0.495 g的四水合氯化锰、1.457 g的醋酸钠加入到19 mL的丙三醇和6 mL的水中搅拌至澄清;
1.2 将上述溶液转移到反应釜中,在180 ℃下反应16 h;
1.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到产物。
产物的SEM图如图7所示,从图中可以看出,所得产物是由大小不均一的不规则颗粒组成,颗粒形貌多为短棒或片状结构。
对比例
2
2.1 将0.628 g的四水合硝酸锰、0.500 g的氢氧化钠加入到12 mL的丁三醇和10 mL的水中搅拌至澄清;
2.2 将上述溶液转移到反应釜中,在170 ℃下反应20 h;
2.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤,所得产物形貌不均一,大多为不规则颗粒,粒径分布大。
对比例
3
3.1将0.628 g的四水合硝酸锰、2.235 g的醋酸钠加入到25 mL水中搅拌至澄清;
3.2 将上述溶液转移到反应釜中,在200 ℃下反应12 h;
3.3 反应结束后,经过离心分离和洗涤,得到棱的尺寸为0.65-0.90 μm的Mn3O4八面体结构,所得产物形貌规则,表面光滑。
Claims (7)
1.一种Mn3O4自组装结构的制备方法,其特征是包括以下步骤:
(1)将二价锰盐和醋酸钠加入到多元醇与水的混合物中,搅拌得透明溶液;
(2)将上述透明溶液加热,采用溶剂热法制备Mn3O4自组装结构;
(3)反应后离心分离、洗涤,得Mn3O4自组装结构,所述自组装结构为棒状自组装阵列结构或自组装花状结构;
步骤(1)中,所述多元醇为丙三醇或丁三醇;
步骤(1)中,二价锰盐与醋酸钠的摩尔比为1:3-20;步骤(1)中,多元醇与水的体积比为1:0.5-1.5。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是:所述棒状自组装阵列结构由大小均匀、取向一致、排列紧密的Mn3O4棒自组装而得;所述自组装花状结构由微米级尺寸的、排列紧密的花瓣自组装而得。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征是:棒状自组装阵列结构中,Mn3O4棒的直径为0.05-2 μm,长度为0.5-30 μm;自组装花状结构中,每个花瓣的大小为0.5-8 μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是:步骤(1)中,当二价锰盐与醋酸钠的摩尔比为1:3-8.5时,所得Mn3O4三维结构为Mn3O4棒状自组装阵列结构;当二价锰盐与醋酸钠的摩尔比为1:9.5-20时,所得Mn3O4三维结构为Mn3O4自组装花状结构。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征是:步骤(1)中,二价锰盐在透明溶液中的浓度为0.06-0.15 mol/L;步骤(2)中,溶剂热法的温度为170-220℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是:步骤(2)中,反应时间为6-30 h。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征是:步骤(1)中,所述二价锰盐为锰的硝酸盐或卤化物。
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