微波辅助与水热法合成形貌可控的Mn3O4纳米材料及其电

化学性能研究

摘 要：超级电容器是上世纪兴起的新型储能装置，具有功率大，快速充放电，环境无污染等优点。对超级电容器的电极材料的研究是目前的热点之一。四氧化三锰具储量丰富，成本低廉，绿色环保等优点受到重视。文章用水热法和微波辅助合成法制备得到不同形貌的四氧化三锰纳米材料，采用XRD，IR，SEM等分析手段对其晶型，结构，形貌进行了表征。采用循环伏安法和恒电流充放电法对其电容特性进行了比较，证明水热法制备得到的纳米材料结晶性弱，具有无定型结构，电化学性能优于微波辅助法合成的纳米材料。

关键词：材料化学；超级电容器；四氧化三锰；水热法；微波辅助法；纳米材料

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0169-03 1 概 述

锰氧基金属氧化物如Mn3O4，MnO2等已经被广泛的应用于超级电容器电极材料。四氧化三锰早自然界中以黑锰矿的形式存在，是最稳定的锰氧化物。四氧化三锰是一种黑色

四方结晶，属于尖晶石类，离子结构为Mn2+（Mn3+）2O4，其中二价和三价锰离子分布在两种不同的晶格位置上。氧离子为立方紧密堆积，二价锰离子占四面体空隙，三价锰离子占八面体空隙[1]。和二氧化锰相似，四氧化三锰作为电极材料可在中性电解液中稳定工作，相比于氧化钴和氧化镍电化学窗口较宽，制备工艺简单，环境友好，但自身导电性较差，使其使用受到限制[2-4]。

四氧化三锰的合成方法多样，溶胶凝胶法，化学沉积法，电沉积法，水热法以及溶剂热法等[5-8]。水热法是常用的纳米材料合成技术，操作简单，将反应物溶解于水或者水蒸气等介质中，再通过高温密闭加热，得到产物。在这个方法中，水不仅仅作为溶剂参与反应，更是作为良好的压力传导媒介，迫使许多难以在常压下发生的反应进行反应[9-11]。水热法制备得到的纳米材料，通常具有非常高的纯度和比较大的比表面积，而且通过改变水热反应的发生条件可以很好地控制形貌，是现在无机制备中的常用方法[12]。

微波辅助法是无机合成上的一个重要手段。不同于传统的外部加热方式，微波加热是是被加热物体本身发热，成为发热物体，被称为整体加热，没有热传导过程。反应器内部受热均匀，瞬时温度可以达到110 ℃以上，反应过程中没有温度梯度和浓度梯度[13]。在无机合成中可以很好地控制成核，抑制核生长，形成粒径小的材料，分布均匀，纯度高。

另外，微波辅助反应速率快，反应时间短，有效提高产率，条件温和，操作简便，节约能源无污染符合现代绿色化学的要求[14]。 2 实验部分 2.1 试剂与仪器

实验中所需原料为：高锰酸钾，葡萄糖，无水乙醇，均为分析纯，购买后直接使用，无需纯化，实验所用水为二次蒸馏水。实验过程中所用到的仪器为：CHI 660E电化学工作站（上海辰华），美的家用微波炉，85-2型恒温磁力搅拌器（上海），JSM-6701F 冷场发射型扫描电镜（日本），D/Max-2400粉末X射线衍射仪（日本），H-1650离心机（湖南）。

2.2 四氧化三锰纳米材料的制备 2.2.1 水热法制备四氧化三锰

将一定量的高锰酸钾室温下搅拌溶于水中，采用葡萄糖做还原剂，缓慢溶解于上述溶液中，完全溶解后转移至聚四氟乙烯反应釜，120 ℃加热2 h。冷却后，经水洗，无水乙醇洗涤数次，60 ℃真空干燥，研磨得深褐色粉末。 2.2.2 微波辅助合成四氧化三锰

前期方法与水热法处理相同，加热时置于家用微波炉内，中火15 min。冷却后，经离心分离收集，用二次水，无水乙醇洗涤数次，60 ℃真空干燥，研磨得橙红色粉末。