随着对燃气排放量的控制和化石燃料的加速消耗，人们迫切希望找到新的替代能源和相应的能量转化设备。电化学电容器和电池具有功率密度高，充/放电速度快和循环寿命长等特点，因此引起了人们的广泛关注。由于锰具有多种氧化态，二氧化锰纳米材料的结构丰富且可调，使其在电容器的电极材料、电池的电极材料以及电催化剂等领域有着广泛的应用。近年来，人们在结构可调和形貌可控的二氧化锰纳米材料的合成上投入了大量的精力，这是由于二氧化锰材料的物理和化学性质与其结构和形貌有着密切的关系。现已报道的二氧化锰的合成方法有很多种，如溶胶-凝胶法，水热法，热分解法，回流法，电沉积法和微波辅助法等。在上述这些方法中，微波辅助水热法为二氧化锰纳米材料的合成提供了一种相对有效、简单且较为绿色的途径。微波加热与水热相结合的合成方法可以增强产物的结晶动力学和促进新产物的生成。微波加热是基于偶极极化和电子传导机制来实现的。与传统的加热方法相比较，微波加热是一种具有高产率和可重复性的快速、简便且绿色的合成方法。迄今为止，微波辅助水热方法被广泛地用于无机纳米材料的合成中，如金属纳米材料，过渡金属的氧化物和硫化物以及磷酸盐等。这些利用微波辅助水热法合成的材料在光学、催化和荧光等领域有着潜在的应用。然而，本文致力于用微波辅助水热法合成结构可调和形貌可控的二氧化锰材料并且研究其在电化学领域的应用。水钾锰矿结构的二氧化锰（又称为δ-MnO₂）具有特殊的层状结构，可以被用作超级电容器的电极材料。水钾锰矿结构的二氧化锰微球，最早是通过水热方法合成的。在本论文中，利用微波辅助水热法，仅通过简单的改变反应温度，就可以调节产物从δ-MnO₂微米球到包含δ-MnO₂微米球和α-MnO₂纳米棒的混合物。前面所述的水热合成方法中，其反应时间至少需要一百分钟，而微波辅助水热法仅需要十分钟。比较而言，在这一反应过程中，微波辅助水热合成法特别适合用来缩短反应时间。利用粉末X射线衍射，场发射电子扫描电镜和高分辨透射电镜等来证实混合相中的纳米棒杂质为α-MnO₂，并且对产物的电化学性质进行了测试。研究结果表明，与δ-MnO₂微米球/α-MnO₂纳米棒的混合物相比较，δ-MnO₂微米球有较小的比表面积和较大的比电容。少量α-MnO₂纳米棒杂质相的出现增加了δ-MnO₂电极的比表面积却减小了其比电容。混合物电容低的原因主要有两点：其一，杂质的电化学活性低于δ-MnO₂；其二，杂质的出现导致材料的传导性降低。另外，其它条件下的电化学测试表明，δ-MnO₂具有较好的可逆性和较高的稳定性，因此其是一种有应用前景的超级电容器的电极材料。电化学活性的差异主要归因于晶体结构，氧吸附模式和接触晶面不同所带来的影响。本文利用微波辅助水热法合成了具有不同结构和形貌的二氧化锰。实验中，微波辐射起到了两种作用，即缩短反应时间和获得新的形貌。就反应时间而言，微波加热能够加快反应速率，将反应时间从数小时缩短至几分钟。同时，对于合成新形貌产物而言，微波加热不仅合成了δ-MnO₂微米球和α-MnO₂纳米棒，而且获得了γ-MnO₂纳米片和β-MnO₂八面体或空心的微米棒。更重要的是，首次以一步微波辅助法获得了γ-MnO₂纳米片和β-MnO₂八面体或空心的微米棒。因此，利用微波辅助水热法，通过调节盐酸的浓度，可以准确的调节和控制二氧化锰材料的结构和形貌。通过循环伏安法检测了样品在KOH水溶液中对于氧还原反应（ORR）的电催化性质。结果显示所有样品在碱性电解液中均可以催化氧还原反应，但是催化活性存在着一定的差异。实验结果表明，α-MnO₂的晶体结构和形貌都有利于氧的吸附，所以其具有较高的电催化活性。水钾锰矿结构的二氧化锰，通常情况下也被称为δ-MnO₂。δ-MnO₂是一种具有混合价态的二维层状结构的化合物。δ-MnO₂的层间距为0.73nm，层间可以插入钾，钠等离子或者水分子。这些插入离子或者分子可以起到两个作用，即保持结构稳定和维持电荷平衡。加入离子种类不同，δ-MnO₂层间距会发生一定的变化。δ-MnO₂通常被认为是合成隧道结构二氧化锰材料的中间体或前驱体。本文实验过程中，在不加入任何催化剂和表面活性剂的条件下，利用盐酸还原高锰酸钾获得了枝状α-MnO₂纳米棒。进行了时间控制的实验，以此可以研究枝状α-MnO₂纳米棒的形成过程。可以看出产物是通过δ-MnO₂转化而来。根据前人提出的一些理论，本文对枝状α-MnO₂纳米棒的生长机制进行了归纳，结果表明其生长主要是受导向生长和相卷曲两种机制控制。相变的起因是δ-MnO₂纳米片的晶体尺寸较小，在高温和高酸度的环境下不稳定。此外，还对产物的电化学性质进行了测试，表明比表面积和电解质的种类直接影响产物的比电容。简而言之，将微波辐射与水热相结合，可以快速将温度提升到纳米结构生长的目标温度。此方法可以增强结晶动力学和提高新产物的形成机会。本文通过微波辅助水热法成功的合成了可以精确调控结构和形貌的二氧化锰材料并对其晶体结构和形貌进行了系统的研究。另外，还从超级电容器的电极材料和电催化材料两个方面对产物的电化学性质进行了研究。