CN104671287A - 一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法。该方法包括下述步骤：一、将一定量高锰酸钾溶解在去离子水中；二、将纳米导电材料分散在水和有机溶剂的混合溶液中,加入酸或碱调节pH值；三、将上述两种溶液在搅拌或超声条件下混合；四、在一定温度下反应一段时间后，干燥成氧化锰复合粉末。本方法制备得到粒径分布均匀、产品形貌规则且多样、颗粒大小易控的氧化锰复合材料纳米材料。本方法制备速度快、工艺流程简单、操作方便、可控性强、成本低廉、无环境污染，具有极强的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，具体是涉及一种有机混合溶剂快速还原高锰酸钾制备氧化锰的技术，属于纳米材料制备技术领域。
背景技术
氧化锰纳米材料的基本结构单元是锰氧八面体，锰氧八面体基本结构单元通过共边或共角方式沿一定方向生长形成了具有隧道或层状结构的氧化锰纳米材料。通常，氧化锰材料以多种晶型存在，常见的晶型有α、β、γ、δ型，还有ε、ρ型。当锰氧八面体基本结构单元以不同数目和方式通过共角形成隧道结构时，就生成了不同孔道结构的α和β晶体构型，其不同大小的隧道结构使该类物质具有离子筛和分子筛功能。研究结果表明，纳米粒子的晶型、尺寸、形貌、维数等因素不同程度影响着纳米材料的光学、电学、磁学等性能，因而不同晶型和形貌氧化锰纳米材料的可控合成一直是研究者关注的重点问题之一。
氧化锰资源广泛、价格低廉、环境友善、具有多种氧化价态。不同形貌和结构的氧化锰纳米材料具有离子筛、分子筛、催化和电化学等许多特殊的物理和化学性质，因而在吸附材料、催化材料、超级电容器、锂离子二次电池的正极材料和新型磁性材料等领域显示了广阔的应用前景。在氧化锰中，锰元素具有高的氧化数(Mn3+，Mn4+)，高的表面氧浓度以及存在于锰氧化合物表面的大量羟基，使其在催化领域也得到广泛应用。多孔性氧化锰具有良好的离子交换和分子吸附性能，使其可以用作离子筛或分子筛。如尖晶石型的氧化锰对海水和稀溶液中的Li+具有优良的选择性吸附作用。氧化锰材料具有良好的电化学性质，是最具发展潜力的锂二次电池正极材料，研究较多的锰锂氧化物有尖晶石LiMn2O4和层状LiMnO2两种结构。氧化锰同样是一种价格低廉且效果良好的新型电容器材料，具有高的比表面积以及无定型的结构能使氧化锰晶格扩张，质子很容易存留在里面，表现出更高的电容性，而通常沉淀法制得的晶体结构的微米级氧化锰不具有这些特点。
水热法、溶剂热法、模板法和气相沉积等是常用制备氧化锰纳米材料的方法，研究者通过这些方法制备了大量不同晶型和形貌的氧化锰纳米材料，但大部分方法工艺复杂、产量小，很难实现产业化生产。高锰酸钾包含七价锰，具有极强的氧化性，但目前通常采用长时间的水热分解制备氧化锰，或者采用碳材料还原高锰酸钾，还原速度极慢很难实现量产。我们提出了采用有机溶剂对高锰酸钾进行快速还原，该方法具有原料来源广泛、工艺流程简单、产品比表面积大、粒度分布好、杂质含量低、成本低廉的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，该方法主要利用还原性有机溶剂对高锰酸钾进行还原处理，所制备的氧化锰形状有花状、褶皱状、球状等，纳米颗粒尺寸分布集中、尺寸可调控(10nm～1000nm)、产品质量高，是一种简易、低成本、高效率、大批量制备纳米氧化锰的优良方法。
技术方案：本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的，一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：将一定量高锰酸钾溶解在去离子水中；
步骤二：将纳米导电材料分散在水和有机溶剂的混合溶液中,加入酸或碱调节pH值；
步骤三：将上述两种溶液在搅拌或超声条件下混合；
步骤四：在一定温度下反应一段时间后，干燥成氧化锰复合粉末。
其中，上述步骤一中，所述高锰酸钾与有机溶剂摩尔比为1:0.1～100，优选的比例是1:1～10.；
其中，上述步骤二中，所述纳米导电材料为石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、炭黑、炭微球、纳米金、纳米银、纳米铂、纳米铜、纳米铝、纳米镍中的一种或多种混合，优选的是石墨烯、碳纳米管、乙炔黑和炭黑。
其中，上述步骤二中，所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或多种混合。优选的是甲醇、乙醇、异丙醇与水的混合物。
其中，上述步骤二中，所述的有机溶剂在混合溶剂中的比例是10％～90％。
其中，上述步骤二中，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡、氢氧化锂、氨水、有机碱中的一种或多种混合，优选的碱性调节剂是氢氧化钠、氢氧化钾和氨水。
其中，上述步骤二中，所述的酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、高氯酸、氢溴酸、氢氟酸、亚硫酸、乙酸中的一种或多种混合，优选的是盐酸、硫酸和硝酸。
其中，上述步骤四中，所述的反应温度为混合溶剂蒸发温度以下，优选的反应温度是20摄氏度到50摄氏度。
其中，上述步骤四中，所述的反应时间为5分钟-30小时，优选的反应时间是5分钟～3小时。
本发明的有益效果是：
本方法所制备的纳米氧化锰材料，高效快速、工艺简单、操作简便、成本低廉、无需精确控制工艺参数、制备时间短，没有污染等，容易扩大规模，能够快速实现工业化生产。
附图说明
图1为实施例1制备的花状氧化锰的透射电镜照片。
图2为实施例1制备的花状氧化锰的扫描电镜照片。
图3为实施例2制备的褶皱氧化锰的扫描电镜照片。
图4为实施例3制备的球状氧化锰的扫描电镜照片。
图5为实施例4制备的氧化锰/石墨烯复合材料的透射电镜照片。
图6为实施例4制备的氧化锰/石墨烯复合材料的扫描电镜照片。
图7为实施例5制备的氧化锰/碳纳米管复合材料的透射电镜照片。
图8为实施例6制备的氧化锰/乙炔黑复合材料的透射电镜照片。
图9为本发明流程框图。
具体实施方式
见图1-9，下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1，以在50％体积比异丙醇与水的混合溶剂中，不添加导电材料，不调节pH值，利用本方法制备纳米氧化锰为实施例：
步骤一：将500毫克高锰酸钾溶解在40ml的去离子水中；
步骤二：将250毫升异丙醇加入250毫升去离子水混匀；
步骤三：在300转每分搅拌速度下，将高锰酸钾溶液缓慢滴加到混合有机溶液中；
步骤四：在常温下反应约1小时后，采用0.45微米孔径的有机滤膜抽滤，反复洗涤3次，干燥后制备出纳米氧化锰粉末。
获得的纳米花状氧化锰透射电镜照片如图1所示，扫描电镜照片如图2所示。
实施例2，以在30％体积比乙醇与水的混合溶剂中，不添加导电材料，pH约1，利用本方法制备纳米氧化锰为实施例：
步骤一：将300毫克高锰酸钾溶解在30ml的去离子水中；
步骤二：将150毫升乙醇加入350毫升去离子水混匀，；
步骤三：在500转每分搅拌速度下，滴加盐酸溶液将pH值调节至1，然后将高锰酸钾溶液缓慢滴加到混合有机溶液中；
步骤四：在常温下反应约1小时后，采用0.45微米孔径的有机滤膜抽滤，反复洗涤3次，干燥后制备出纳米氧化锰粉末。
获得的褶皱氧化锰扫描电镜照片如图3所示。
实施例3，以在60％体积比甲醇与水的混合溶剂中，不添加导电材料，pH约13，利用本方法制备纳米氧化锰为实施例：
步骤一：将400毫克高锰酸钾溶解在30ml的去离子水中；
步骤二：将300毫升甲醇加入200毫升去离子水混匀；
步骤三：在600转每分搅拌速度下，滴加氢氧化钠溶液将pH值调节至13，然后高锰酸钾溶液缓慢滴加到混合有机溶液中；
步骤四：在常温下反应约0.5小时后，采用0.45微米孔径的有机滤膜抽滤，反复洗涤3次，干燥后制备出纳米氧化锰粉末。
获得的球状氧化锰扫描电镜照片如图4所示。
实施例4，以在50％体积比异丙醇与水的混合溶剂中，添加石墨烯为导电材料，利用本方法制备纳米氧化锰/石墨烯复合材料为实施例：
步骤一：将400毫克高锰酸钾溶解在30ml的去离子水中；
步骤二：将250毫升异丙醇加入250毫升去离子水混匀，添加约20毫克石墨烯粉，超声约10小时；
步骤三：在600转每分搅拌速度下，将高锰酸钾溶液缓慢滴加到混合有机溶液中；
步骤四：在常温下反应约1小时后，采用0.45微米孔径的有机滤膜抽滤，反复洗涤3次，干燥后制备出纳米氧化锰/石墨烯复合粉末。
获得的纳米氧化锰/石墨烯复合粉末透射电镜照片如图5所示，扫描电镜照片如图6所示。
实施例5，以在50％体积比甲醇与水的混合溶剂中，反应温度40摄氏度，添加碳纳米管为导电材料，利用本方法制备纳米氧化锰/碳纳米管复合材料为实施例：
步骤一：将300毫克高锰酸钾溶解在30ml的去离子水中；
步骤二：将250毫升乙醇加入250毫升去离子水混匀，添加约10毫克多壁碳纳米管粉，超声约10小时；
步骤三：在500转每分搅拌速度下，将高锰酸钾溶液缓慢滴加到混合有机溶液中；
步骤四：在40度下反应约0.5小时后，采用0.45微米孔径的有机滤膜抽滤，反复洗涤3次，干燥后制备出纳米氧化锰/碳纳米管复合粉末。
获得的纳米氧化锰/碳纳米管复合粉末扫描电镜照片如图7所示。
实施例6，以在40％体积比乙醇与水的混合溶剂中，添加乙炔黑为导电材料，反应温度约50度，利用本方法制备纳米氧化锰/乙炔黑复合材料为实施例：
步骤一：将300毫克高锰酸钾溶解在30ml的去离子水中；
步骤二：将200毫升乙醇加入300毫升去离子水混匀，添加约20毫克乙炔黑粉，超声约5小时；
步骤三：在300转每分搅拌速度下，将高锰酸钾溶液缓慢滴加到混合有机溶液中；
步骤四：在50度下反应约0.5小时后，采用0.45微米孔径的有机滤膜抽滤，反复洗涤3次，干燥后制备出纳米氧化锰/乙炔黑复合粉末。
获得的纳米氧化锰/乙炔黑复合粉末扫描电镜照片如图8所示。
显然，本发明的上述实施案例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：将一定量高锰酸钾溶解在去离子水中；
步骤二：将纳米导电材料分散在水和有机溶剂的混合溶液中,加入酸或碱调节pH值；
步骤三：将上述两种溶液在搅拌或超声条件下混合；
步骤四：在一定温度下反应一段时间后，干燥成氧化锰复合粉末。
2.根据权利要求1所述的一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：步骤一中，所述高锰酸钾与有机溶剂摩尔比为1:0.1～100，优选的比例是1:1～10。
3.根据权利要求1所述的一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：步骤二中，所述纳米导电材料为石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、炭黑、炭微球、纳米金、纳米银、纳米铂、纳米铜、纳米铝、纳米镍中的一种或多种混合，优选的是石墨烯、碳纳米管、乙炔黑和炭黑。
4.根据权利要求1所述的一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：步骤二中，所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或多种混合，优选的是甲醇、乙醇、异丙醇与水的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：步骤二中，所述的有机溶剂在混合溶剂中的比例是10％～90％。
6.根据权利要求1所述的一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：步骤二中，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡、氢氧化锂、氨水、有机碱中的一种或多种混合，优选的碱性调节剂是氢氧化钠、氢氧化钾和氨水。
7.根据权利要求1所述的一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：步骤二中，所述的酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、高氯酸、氢溴酸、氢氟酸、亚硫酸、乙酸中的一种或多种混合，优选的是盐酸、硫酸和硝酸。
8.根据权利要求1所述的一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：步骤四中，所述的反应温度为混合溶剂蒸发温度以下，优选的反应温度是20摄氏度到50摄氏度。
9.根据权利要求1所述的一种纳米氧化锰复合材料的绿色制备方法，其特征在于：步骤四中，所述的反应时间为5分钟-30小时，优选的反应时间是5分钟～3小时。
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