CN104261479A - 一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料及其制备方法，属化学电源领域，其特征在于：采用水热法合成具有棒、管、带、线等形态的金属掺杂纳米二氧化锰固溶氧化物Mn1-xMxO2-y，其中0<x≤0.05，y≤2，M代表掺杂元素，为Al、Sn、Li、Fe中的任意一种。该超级电容器电极材料在中性溶液中有高的比电容和稳定的工作窗口，可应用在需要中性电解液、高稳定性、高功率密度电源场合。本发明工艺流程简单，制备条件可控性好，所得元素掺杂二氧化锰电极材料比电容高、循环稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料及其制备方法。
背景技术
在电极材料领域，MnO2的应用相当广泛，在过去的几十年时间里，MnO2一直倍受人们关注，这不仅因为其优良的性能，还得益于其丰富的储量、低廉的价格、对环境的友好。在资源和环境问题日益突出的今天，对于MnO2的关注就成为必然。MnO2具有多种晶型结构，不同结构的电化学性能差异较大。当前对掺杂MnO2的研究比较多，掺杂后的MnO2性能得到了较大的改善。因此，结合在改进材料性能方面具有显著效果的纳米技术，对掺杂改性MnO2纳米材料的研究显得尤为重要。本发明公开了一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法，采用普适的水热法进行制备。操作流程简单，设备工艺较为成熟，适用范围广。可应用在需要中性电解液、高稳定性、高容量电源场合。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料，采用工业上广泛使用的水热法进行制备。操作流程简单，设备工艺较为成熟，适用范围广。可应用在需要中性电解液、高稳定性、高容量电源场合。
本发明的目的之二是提供上述金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料，其中金属掺杂纳米二氧化锰的通式为Mn1-xMxO2-y，其中0<x≤0.05，y≤2，M代表掺杂元素，为Al、Sn、Li、Fe中的任意一种。
上述一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法，其特征是将适量高锰酸钾溶解于去离子水中，随后继续溶入含有掺杂金属Al、Sn、Li、Fe元素可溶性盐中的任意一种；其中掺杂金属元素同高锰酸钾中锰元素的原子比不大于0.01～0.05:0.95～0.99；混合搅拌30～120分钟后，缓慢加入含有质量百分比为1～5％成核剂的溶液，继续搅拌30～180分钟得到混合溶液；向混合溶液中加入酸溶液调整混合溶液的pH值小于3，随后将混合溶液放入水热反应釜中，在120～160摄氏度反应8～24小时，取出清洗、过滤、烘干，即得到金属掺杂纳米二氧化锰电极材料。
在本发明的一个优选实施例中，所述酸溶液选自硫酸、硝酸或盐酸。
在本发明的一个优选实施例中，所述金属掺杂纳米二氧化锰电极材料中的金属掺杂二氧化锰为为四方结构的α-MnO2。
在本发明的一个优选实施例中，所述含有掺杂金属Al、Sn、Li、Fe元素可溶性盐选自硫酸铝、硝酸铝、四氯化锡、硝酸锂、醋酸锂、硫酸锂、硝酸铁、草酸铁、氯化铁中的一种。
在本发明的一个优选实施例中，所述成核剂选自硫酸铁、十六烷基三甲基溴化铵或六偏磷酸钠。
在本发明的一个优选实施例中，所述金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的形态为纳米棒、纳米线、纳米带或纳米管。
本发明的优点和积极效果是：操作流程简单，设备工艺较为成熟，适用范围广；可应用在需要中性电解液、高稳定性、高容量电源场合。
具体实施方式
以下实施例对本发明做进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
实施例1：
水热法制备元素掺杂二氧化锰粉体：将适量高锰酸钾溶解于去离子水中，随后继续溶入适量硫酸铝。其中铝元素同高锰酸钾中锰元素的原子比为0.05:0.95。混合搅拌30分钟后，缓慢加入含有适量硫酸铁的溶液(硫酸铁质量为溶液质量的1％)，继续搅拌30分钟。最后加入硫酸调整溶液的pH值小于3，随后将混合溶液放入水热反应釜中，在160摄氏度反应18小时，取出清洗、过滤、烘干，即得到Al掺杂二氧化锰Mn0.95Al0.05O2纳米管电极材料。纳米管长径比100：1；管径30纳米；晶型为四方结构α型氧化锰。
实施例2：
水热法制备元素掺杂二氧化锰粉体：将适量高锰酸钾溶解于去离子水中，随后继续溶入适量硫酸锂。其中锂元素同高锰酸钾中锰元素的原子比为0.03:0.97。混合搅拌30分钟后，缓慢加入含有适量十六烷基三甲基溴化铵的溶液(十六烷基三甲基溴化铵质量为溶液质量的2％)，继续搅拌30分钟。最后加入盐酸调整溶液的pH值小于3，随后将混合溶液放入水热反应釜中，在120摄氏度反应24小时，取出清洗、过滤、烘干，即得到Li掺杂二氧化锰Mn0.97Li0.03O2纳米棒电极材料。纳米棒长径比50：1；直径20纳米；晶型为四方结构α型氧化锰。
实施例3：
水热法制备元素掺杂二氧化锰粉体：将适量高锰酸钾溶解于去离子水中，随后继续溶入适量四氯化锡。其中锡元素同高锰酸钾中锰元素的原子比为0.01:0.99。混合搅拌30分钟后，缓慢加入含有适量六偏磷酸钠的溶液(六偏磷酸钠质量为溶液质量的3％)，继续搅拌30分钟。最后加入盐酸调整溶液的pH值小于3，随后将混合溶液放入水热反应釜中，在140摄氏度反应16小时，取出清洗、过滤、烘干，即得到Sn掺杂二氧化锰Mn0.99Sn0.01O2纳米线电极材料。纳米线长径比600：1；直径20纳米；晶型为四方结构α型氧化锰。
实施例4：
水热法制备元素掺杂二氧化锰粉体：将适量高锰酸钾溶解于去离子水中，随后继续溶入适量硝酸铁。其中铁元素同高锰酸钾中锰元素的原子比为0.02:0.98。混合搅拌30分钟后，缓慢加入含有适量六偏磷酸钠的溶液(六偏磷酸钠质量为溶液质量的1％)，继续搅拌30分钟。最后加入硝酸调整溶液的pH值小于3，随后将混合溶液放入水热反应釜中，在150摄氏度反应20小时，取出清洗、过滤、烘干，即得到Fe掺杂二氧化锰Mn0.98Fe0.02O2纳米带电极材料。纳米带厚5纳米，宽60纳米；晶型为四方结构α型氧化锰。
实施例5：
水热法制备元素掺杂二氧化锰粉体：将适量高锰酸钾溶解于去离子水中，随后继续溶入适量四氯化锡。其中铝元素同高锰酸钾中锰元素的原子比为0.04:0.96。混合搅拌30分钟后，缓慢加入含有适量十六烷基三甲基溴化铵的溶液(十六烷基三甲基溴化铵质量为溶液质量的2％)，继续搅拌30分钟。最后加入硝酸调整溶液的pH值小于3，随后将混合溶液放入水热反应釜中，在150摄氏度反应8小时，取出清洗、过滤、烘干，即得到Al掺杂二氧化锰Mn0.96Sn0.04O2纳米棒电极材料。纳米棒长径比80：1；直径25纳米；晶型为四方结构α型氧化锰。
Claims (7)
1.一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料，其中金属掺杂纳米二氧化锰的通式为Mn1-xMxO2-y，其中0<x≤0.05，y≤2，M代表掺杂元素，为Al、Sn、Li、Fe中的任意一种。
2.权利要求1所述的一种金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法，其特征是将适量高锰酸钾溶解于去离子水中，随后继续溶入含有掺杂金属Al、Sn、Li、Fe元素可溶性盐中的任意一种；其中掺杂金属元素同高锰酸钾中锰元素的原子比不大于0.01～0.05:0.95～0.99；混合搅拌30～120分钟后，缓慢加入含有质量百分比为1～5％成核剂的溶液，继续搅拌30～180分钟得到混合溶液；向混合溶液中加入酸溶液调整混合溶液的pH值小于3，随后将混合溶液放入水热反应釜中，在120～160摄氏度反应8～24小时，取出清洗、过滤、烘干，即得到金属掺杂纳米二氧化锰电极材料。
3.如权利要求2所述的金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法，其特征在于，所述酸溶液选自硫酸、硝酸或盐酸。
4.如权利要求2所述的金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法，其特征在于，所述金属掺杂纳米二氧化锰电极材料中的金属掺杂二氧化锰为为四方结构的α-MnO2。
5.如权利要求2所述的金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法，其特征在于，所述含有掺杂金属Al、Sn、Li、Fe元素可溶性盐选自硫酸铝、硝酸铝、四氯化锡、硝酸锂、醋酸锂、硫酸锂、硝酸铁、草酸铁、氯化铁中的一种。
6.如权利要求2所述的金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法，其特征在于，所述成核剂选自硫酸铁、十六烷基三甲基溴化铵或六偏磷酸钠。
7.如权利要求2所述的金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的制备方法，其特征在于，所述金属掺杂纳米二氧化锰电极材料的形态为纳米棒、纳米线、纳米带或纳米管。
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