α-MnO2納米線的制備及其電化學性能研究

劉小軍，劉耀鵬，閆曉前

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710302)

MnO2是一種常溫下非常穩定的黑色或棕黑色粉末狀固體，作為一種兩性過渡金屬氧化物主要存在于軟錳礦中。MnO2性能獨特，應用廣泛[1]，不同結構和形貌的MnO2納米材料因其特殊的物理和化學性質，在離子篩、分子篩、催化材料、鋰離子二次電池的正極材料和新型磁性材料等催化、電化學、吸附和磁性質等領域顯示了廣闊的應用前景[2～4]。

近年來，研究者運用水熱法、溶劑熱法、模板法和氣相沉積法等技術制備了大量不同晶型和形貌的MnO2納米材料。Yuan等[5]通過熱分解Mn(NO3)2溶液合成了二維結構的六角星β-MnO2；Xi 等[6]通過高溫煅燒γ-MnOOH納米棒合成了β-MnO2納米棒；Li 等[7]在低溫條件下合成了α-MnO2空心刺猬球；Zhang等[8]在HCl 溶液中以不同方式處理層狀氧化錳，制備了納米四棱柱形貌β-MnO2納米卷。迄今，人們對MnO2納米材料的合成已進行了大量研究，但關于在酸性條件下制備α-MnO2納米線研究較少。為此，作者以KMnO4為錳源，采用水熱反應在HCl溶液中成功制備了α-MnO2納米線，并對其電化學性質進行了初步探索。

1 實驗

1.1 α-MnO2納米線的制備

稱取不同質量(按濃度計算)的KMnO4固體于50 mL 聚四氟乙烯內襯高壓釜中，加入40 mL 0.5 mol·L-1的HCl溶液，室溫攪拌數分鐘至溶液為紫紅色。旋緊釜蓋，置于240℃均相反應器中反應24 h。反應結束后，取出反應釜，自然冷卻至室溫，打開釜蓋后過濾溶液，所得產物以去離子水洗滌數次，并于50℃空氣干燥12 h，獲得α-MnO2納米線。

1.2 α-MnO2納米線結構表征

采用日本 Rigalcu D/Max-3c+/PC 型粉末衍射儀對樣品進行XRD測試，Cu 靶κα線，電壓35 kV，電流40 mA，掃描速度8°·min-1，掃描范圍 (2θ) 3°～70°；采用荷蘭 Philips-FEI公司Quanta 200型環境掃描電鏡(SEM)觀察樣品形貌。

1.3 α-MnO2納米線的電化學性能測試

按一定比例稱取α-MnO2納米線、石墨、乙炔黑，混合均勻，加5%(質量分數)的聚氟乙烯(60%)，調成糊狀；將上述物質均勻涂在泡沫鎳上，80℃干燥后，在15 MPa 下壓1 min，制得工作電極，然后組裝成扣式電池。用藍電電池測試系統(CT2001A)在1.0 mol·L-1LiPF6的EC (碳酸乙烯酯)+DEC (碳酸二乙酯)(體積比為1∶1)溶液中研究α-MnO2納米線恒電流充放電行為。

2 結果與討論

2.1 水熱反應時間對產物晶型和形貌的影響

圖1是水熱反應不同時間所得產物的XRD圖。

水熱反應時間(h)，a～f：1，5，9，12，24，48

從圖1可以看出，當水熱反應時間為1 h時，所得產物為典型的層狀氧化錳(圖1a)；隨著水熱反應時間的延長，產物的晶型逐漸發生變化，當水熱反應時間為5 h時，產物開始向隧道型氧化錳轉變(圖1b)，是一個過渡階段[9]；當水熱反應時間延長至9 h時，產物已完全轉化為隧道型氧化錳(圖1c)；繼續延長水熱反應時間，產物晶型不再發生變化，只是結晶度在不斷提高(圖1d、1e)；當水熱反應時間為48 h時，晶型最好(圖1f)，晶體生長得更加規則。

圖2是水熱反應不同時間所得產物的SEM圖。

水熱反應時間(h)，a～f：1，5，9，12，24，48

從圖2可以看出，水熱反應時間對產物形貌有很重要的影響。當水熱反應時間為1 h時，產物呈棉團狀，且相互交聯(圖2a)，這是層狀氧化錳的典型形貌，與XRD結果一致；當水熱反應時間延長至5 h時，球狀棉團形貌開始破壞，呈分散趨勢(圖2b)；當水熱反應時間為9 h時，棉團狀形貌已被嚴重破壞，呈現疏松的狀態(圖2c)；繼續延長水熱反應時間至12 h時，納米線形貌已基本形成(圖2d)；當水熱反應時間為24 h時，大部分納米線已經形成(圖2e)；繼續延長水熱反應時間至48 h，得到了舒展均勻的納米線(圖2f)。

2.2 水熱反應溫度對產物晶型和形貌的影響

圖3是不同溫度下水熱反應24 h所得產物的XRD圖。

水熱反應溫度(℃)，a～e：150，180，200，220，240

從圖3可以看出，水熱反應溫度低于180℃，所制備產物的晶型為K+-birnessite層狀結構(圖3a)；隨著水熱反應溫度的升高，產物晶型開始向隧道型氧化錳轉變(圖3b)；200℃和220℃是層狀結構向隧道型氧化錳轉變的一個中間過程(圖3c、3d)；當水熱反應溫度升高至240℃時，產物已完全轉變為隧道型氧化錳，且產物的結晶度也不斷提高(圖3e)[10]。

圖4是不同溫度下水熱反應24 h所得產物的SEM圖。

水熱反應溫度(℃)，a～e：150，180，200，220，240

從圖4可以看出，水熱反應溫度對產物形貌有著重要的影響。隨著水熱反應溫度的升高，所得產物由棉團狀(圖4a，4b)逐漸轉變為舒展的納米線(圖4e)。

2.3 α-MnO2納米線的充放電和循環放電曲線

圖5為α-MnO2納米線在1.5～4.5 V、20 mA·g-1電流密度下的第二次充放電曲線。

圖5 α-MnO2納米線在20 mA·g-1電流密度下的第二次充放電曲線

從圖5可以看出，α-MnO2納米線第二次放電的電容量為184.5 mAh·g-1，表明其具有較高的比容量和較好的充放電性能。

圖6為α-MnO2納米線的循環放電曲線。

圖6 α-MnO2納米線在20 mA·g-1電流密度下的循環放電曲線

從圖6可以看出，起始放電容量接近200 mAh·g-1。循環30次后，α-MnO2納米線的放電容量衰減到160.7 mAh·g-1，容量保持率為87.1%，即循環30次以內，α-MnO2的穩定性較好；循環50次后，放電容量衰減到112.3 mAh·g-1，容量保持率僅為60.9%，這說明循環次數多時，α-MnO2的穩定性下降。因此，α-MnO2納米線的電化學循環性能有待進一步提高。

3 結論

以KMnO4為錳源，采用水熱反應在HCl溶液中制備α-MnO2納米線，通過控制水熱反應時間、水熱反應溫度能很好地控制材料的結構及形貌，最佳水熱反應時間為24 h、最佳水熱反應溫度為240℃。α-MnO2納米線具有良好的電化學性能，在1.5～4.5 V、20 mA·g-1電流密度下其第二次放電的電容量為184.5 mAh·g-1。

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