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锰基氧化物的控制合成及其电化学和催化性能研究

周自成  
【摘要】:21世纪纳米材料有着广阔的应用前景。其中锰氧化物纳米材料因为其独有的电子构型而具备其它氧化物没有的优势。在电子工业、磁学、化工、催化、环境等多个领域应用广泛。而锰元素价态多,氧化物种类繁多结构复杂。因此,研究锰氧化物纳米材料的制备及其有效的调控因素有着重要的研究意义。本文采用氧化沉淀法分别制备了纳米Mn_3O_4、MnOOH和核壳型磁性纳米材料Fe_3O_4/FeMnO_x,研究了制备条件对材料结构及形貌的影响,并考察了其电化学性质和催化氧化性能。 本文主要包括以下三方面的内容: (1)氧化沉淀法制备纳米Mn_3O_4和MnOOH 采用氧化沉淀法制备纳米Mn_3O_4,考察了温度、NaOH的加入速率、添加剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)以及反应物投加方式等反应条件对产物结构形貌的影响。结果表明:升高温度有利于产物的结晶和熟化;在加入SDBS条件下,NaOH的滴加速率不仅影响Mn_3O_4的形貌,还制约着不同物相Mn_3O_4和MnOOH的形成。当NaOH的滴速较慢时(1ml/L),产物为Mn_3O_4纳米颗粒;当NaOH的滴速较快时(6ml/L),产物为Mn_3O_4纳米棒;当NaOH一次性倒入时,产物则为MnOOH纳米棒。在加入SDBS,NaOH滴速为6ml/L的条件下,反应物NaOH和H_2O_2的加入次序也决定了产物的种类。先加入H_2O_2时,产物为Mn_3O_4纳米棒;而先加入NaOH时,产物为MnOOH纳米棒。 (2)添加剂对Mn_3O_4形貌的影响 以Mn(NO3)2和NH3·H_2O为前驱物,H2O2为氧化剂,制备了系列Mn_3O_4纳米颗粒,探讨了9种添加剂对产物粒径的影响。具体包括:酒石酸、柠檬酸、葡萄糖、EDTA、草酸、聚乙二醇、谷氨酸、乙醇和CTAB。结果发现:酒石酸、柠檬酸和葡萄糖对产物Mn_3O_4的尺寸有很大的影响。加入量越大产物的粒径越小;而且Mn_3O_4的比表面积和电容随着粒径的减小明显增大。 (3)核壳结构铁锰复合物纳米材料的制备及其催化性能研究 采用共沉淀法制备出粒度均匀,具有铁磁性的Fe_3O_4,粒径在30-50nm左右。然后采用浸渍和氧化法在外部包覆一层铁锰复合氧化物,浸渍过程控制一定的pH。最终得到具有核壳结构的Fe_3O_4/FeMnO_x铁锰复合氧化物。同Fe_3O_4相比,Fe_3O_4/FeMnO_x具有更丰富的表面羟基和更强的电子转移能力,从而具有更好的性能。活性实验表明该材料在较宽的pH范围内均能有效的催化H_2O_2降解水中的亚甲基蓝,其反应机理是吸附到催化剂表面的有机物被H_2O_2分解生成的·OH进一步氧化去除。


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