[发明专利]碳包覆硒化锰纳米球制备方法及其应用

说明书

本发明提供碳包覆硒化锰纳米球制备方法及其应用。采用直流电弧法，以锰粉、硒粉和碳粉为原料，按摩尔比为1:1:(0.5‑2)的比例混合均匀放入直流电弧放电装置反应室内的阳极铜锅中，在氩气氛围下，以电流为60‑160A的条件起弧，反应后经冷却钝化在顶盖和水冷壁收集到的黄绿色粉末为碳包覆硒化锰球纳米球，纳米球直径为20‑100nm，碳壳层厚度为7‑10nm。本发明还公开了其在超级电容器方面的应用，将碳包覆硒化锰纳米球涂覆在泡沫镍上，在1A/g的电流密度下，其质量比电容为452.4F/g。

技术领域

本发明属于无机纳米材料制备的技术领域，特别涉及了一种简单制备碳包覆硒化锰纳米球的方法。

背景技术

硒化锰是一种典型的过渡金属硒化物，共有三种晶体结构：α-MnSe(岩盐矿结构)，β-MnSe(纤锌矿结构)和γ-MnSe(闪锌矿结构)，其中α相是热力学最稳定的相。硒化锰具有良好的导电性，主要应用在电容器电极材料、钠离子电池电极材料、稀磁半导体材料、温差电材料和太阳能电池等方面。目前MnSe的制备方法有溶剂热法、水热法、化学气相沉积法等。例如，Javed等人采用溶剂热法制备出α-MnSe纳米微花(Chem.Eng.J.，2020，382，122814)；Sahoo等人采用水热法合成出α-MnSe纳米颗粒(Electrochim.Acta，2018，268,403-410)。传统的硒化锰合成方法往往面临原材料复杂、耗时长、反应温度较高、需同时添加多种有机溶剂、环境不友好、产出率低或产物团聚较严重等缺点。

碳包覆是一种常见的材料改性手段，单质碳是一种很好的导电剂，通过包覆作用可以增加原材料导电性，碳的稳定性也可以保护原材料结构不被破坏，同时还能够提供稳定的化学和电化学反应界面。因此，对原材料进行碳包覆可以有效提升材料电化学性能，例如，Pan等人以葡萄糖为碳源用液相烧结法对MnO₂粉末进行碳包覆，与包覆前相比使其比容量提升了64.6％(Chin.J.Mater.Res.,2019,33(07)，530-536)；Liu等人以多巴胺酸盐为碳源用高温热分解法对NiCo₂S₄纳米粒子进行碳包覆，在电流密度为5A/g时比容量高达925F/g(南充：西华师范大学，2019)。常用的碳包覆手段有聚多巴胺包覆法、间苯二酚-甲醛树脂包覆法、糖类包覆法等，但以上方法无法一步制备出碳包覆材料且具有操作复杂、成本高、环境不友好、碳层薄等缺点。本发明提供一种直流电弧法，可一步制备出碳包覆材料，且相较于以上合成方法具有操作简单、成本低、环境友好、合成速度快等优点。

发明内容

本发明主要提供了一种操作简单、成本低的可一步制备碳包覆硒化锰纳米球的方法，且合成出的产物产量高、纯度高，可用作超级电容器电极材料。

本发明以锰粉、硒粉和碳粉为原料，采用直流电弧等离子体放电装置，具体技术方案如下：

1.直流电弧设备启动前，首先按1：1：(0.5-2)的摩尔比称量锰粉、硒粉与碳粉，然后在玛瑙研钵中将混合粉末充分研磨使其混合均匀且颗粒大小相近。研磨后将混合粉末放入定制的压片模具中，并将模具放入压片装置中，粉末被压制成圆柱形块体。

2.将块体放入阳极铜锅中，阴极钨棒垂直固定于铜锅上，且其尖端在铜锅中心位置，并与块体保持1-2cm距离，密封反应室。

3.将反应室气压抽至小于10Pa，然后通入氩气反复洗气两次以上，洗气结束后通入10-60kPa的氩气。

4.启动仪器的冷却循环系统，打开直流弧焊机开关，设置电流参数为60-160A，引弧成功后使钨棒尖端与块体保持0.6-1cm的距离，反应10-15min，关闭直流弧焊机开关，终止反应，经冷却钝化后在顶盖和水冷壁处得到纯净的碳包覆硒化锰纳米球。

本发明制备碳包覆硒化锰纳米球的优点在于：原材料成本低、制备方法操作简单、合成时间短、可重复性高；合成样品纯度高、结晶性好；可一步获得碳包覆的硒化锰纳米球。

附图说明