[发明专利]一种MnO2纳米线的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种MnO₂纳米线的制备方法，其步骤为以KMnO₄、浓硫酸和自制的聚吡咯为原料，在相对低温(85℃)和短时间(1h)内合成了MnO₂纳米线。此种制备方法可以有效的减少合成成本，不需要在高温、高压的情况下合成MnO₂纳米线。将制备的活性材料MnO₂纳米线涂抹在柔性碳布上制备成电极，在1mol/L的Na₂SO₄电解液中通过三电极测试，当电流密度为1Ag^‑1时比电容高为85Fg^‑1，同时具有极好的导电性和循环稳定性(电流密度为5Ag^‑1时循环一千次电容保留率为98.6％)。

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备领域，具体涉及一种MnO₂纳米线的制备方法。

背景技术

作为一种持续可再生的能量储存方法，近来超级电容器已经引起了人们极大的关注。相比于传统的化学电池，它能够提供更高的功率密度，相比于传统的静电电容器，它具有更高的能量密度。电极材料是决定超级电容性能优劣的重要因素，通常包括含碳材料(石墨烯，碳纳米管，碳纳米纤维，碳团簇等)、金属氧化物/氢氧化物(二氧化钛，二氧化锰，三氧化二铁等)和导电聚合物(聚苯胺(PANI)，聚吡咯(PPy)等)。作为最重要的电极材料之一，金属氧化物半导体(MOSs)具有理想的形态和独特的结构，它们被广泛应用于各个科学技术领域。在它们之中，锰的氧化物，如MnO₂已经受到了极大的关注，由于它具有高达1370F/g的理论比电容、成本低、环境友好、储量丰富，被认为是下一代超级电容中最有潜力的过渡金属氧化物。

众所周知，MnO₂存在着多种晶体结构，如α、β、γ和δ型，它们由正八面体的基本单元[MnO₆]通过不同的组合方式结合而成。在这些各种各样的MnO₂晶体结构中，α-MnO₂(2×2隧道结构)似乎是在超级电容器中应用最好的电极材料。由于超级电容在很大程度上取决于隧道的尺寸或者正八面体[MnO₆]层间的距离。不同的隧道结构具有不同的运输离子的能力，α-MnO₂的隧道由双链正八面体[MnO₆]结构组成，拥有充足的空隙来容纳离子。尽管在理论上MnO₂表现出较高的比电容和倍率特性，但在实际应用之中，MnO₂结构塌陷(在充/放电循环中钠离子的嵌入/脱出)和活性材料不稳定(在充/放电循环中局部溶解和差的结构柔性)都限制了它的发展。虽然已经有一些方法可以弥补这些不足，但是在实际应用中循环性能仍需进一步改善。例如，对于短期循环测试，大多数的循环测试结果都降低了几十个百分点。随着纳米材料的迅速发展，具有特殊纳米结构的电极材料更容易被人们所接受，它是增强超级电容的倍率特性和反复充放电稳定性的关键所在。据我们所知，尺寸和结晶度可控的一维纳米结构能够为电化学反应提供额外的反应场所，缩短电子和离子的扩散路径，增强电极的机械性能。因此，有利于增强电化学性能的各种一维MnO₂纳米结构，如纳米棒和纳米线，已经被成功合成。

目前为止，MnO₂纳米线材料已经以MnCl₂·4H₂O/KMnO₄、MnSO₄·H₂O/KMnO₄溶液为原料通过水热法来制备，但是反应温度较高(120～150℃)、合成时间较长(10～24h)，这极大的增加了实验成本和合成难度，限制了材料的进一步推广应用，因此开发一种简单可行的MnO₂纳米线的合成方法是非常有价值的。

发明内容

本发明的目的是提供一种MnO₂纳米线的制备方法，包括如下步骤：