低維氧化錳的可控制備及性能研究.pdf

1、由于價格低廉，環(huán)境友好，生物可兼容，氧化還原活性高等特點，二氧化錳被認為在能量存儲和廢水處理等方面極具應用潛力。在儲能的應用中，二氧化錳常被作為超級電容器的電極材料，但受到電子和離子傳輸?shù)南拗疲约霸诔浞烹娺^程中易分解等問題，使其在高載量或快的充放電速率下難以達到理論比電容的數(shù)值和長的循環(huán)壽命；而在污水治理方面雖然二氧化錳具有較高的催化氧化活性，但是低的比表面積帶來較少活性位點使其催化降解性能受到制約。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)二氧化錳的

2、形貌和結構很大程度上影響著其應用特性。因此對二氧化錳不同形貌的可控制備以及對其結構進行理性調控一直是研究的熱點。
　　本論文圍繞二氧化錳在儲能和催化兩個方面的應用存在的問題，首先總結了二氧化錳的不同晶體結構特征，不同的制備方法對形貌結構的影響以及在儲能和催化方面的應用背景等，進而重點研究如何通過對二氧化錳進行結構改性來改善其在儲能應用中的電子和離子傳輸問題，以及研究如何通過對二氧化錳的形貌調控來優(yōu)化其在催化氧化印染廢水中的性能。主

3、要研究成果概述如下：
　?。?）通過金屬離子摻雜對α-MnO2進行改性來改善其電子和離子傳輸。通過第一性原理計算，首先根據(jù)α-MnO2的結構特性構建了金屬離子摻雜模型，并揭示了金屬離子摻雜α-MnO2的可能路徑，由理論計算得到的態(tài)密度數(shù)據(jù)分析表明金屬離子摻雜可以有效地改善α-MnO2的電子導電性?；谏鲜隼碚摲治觯捎盟疅岱ǔ晒χ苽淞薃l3+摻雜的α-MnO2，通過對摻雜劑投料量的簡單調控可控制備了不同Al3+摻雜量的α-MnO2

4、。并探討了Al3+的實際摻雜量對α-MnO2形貌結構的影響。通過四探針法測定了不同摻雜量的電導率，發(fā)現(xiàn)隨著摻雜量的增加，材料的電導率顯著增強。我們將Al3+摻雜的α-MnO2作為超級電容器電極材料來研究其電化學性能。研究表明在4mg cm-2的高載量下Al3+摻雜的α-MnO2表現(xiàn)出較高的質量比電容數(shù)值，且獲得了非常優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。進一步地，采用V5+對α-MnO2進行摻雜制備了2Dα-MnO2納米片，NH4VO3不僅作為摻雜劑，在

5、合成的過程中同時作為―模板劑‖引導了2D形貌的合成。因此V5+摻雜不僅有效的改善了α-MnO2的電子導電性同時縮短了離子傳輸通道。
　?。?）發(fā)展用熔鹽法制備離子插層型2D過渡金屬氧化物和氫氧化物。采用熔鹽法，選取具有低熔點的硝酸鹽，加入MnSO4前驅物，在高溫下快速反應可大面積制備2D陽離子插層型MnO2納米片。通過調控熔鹽種類可控制備了不同陽離子插層型2D MnO2（包括2D Na0.55Mn2O4·1.5H2O，2D K0.

6、27MnO2·0.54H2O，2D Ba2Mn14O27·xH2O和2D Cs4Mn14O27·xH2O）。并對該體系下的合成機理進行了深入探討?；趯訝頜nO2的結構特性，采用金屬離子摻雜對其結構形貌進行調控，并選取兩類金屬離子研究了不同的摻雜方式對層狀結構的影響機制。進一步地，將該合成體系成功應用在其他2D材料的制備，包括陽離子插層型金屬氧化物Li2WO4和Na2W4O13，以及陰離子插層型金屬氫氧化物Zn5(OH)8(NO3)2·

7、2H2O和Cu(OH)3NO3，說明了該合成體系的普適性。將2D K0.27MnO2·0.54H2O能將剛果紅染料有效的催化降解，顯示出較好的催化性能。
　?。?）通過鹽模板法進一步調控MnO2的形貌。以可溶性的KCl作為模板，在上面包覆一層錳前驅物，經(jīng)退火處理后制備了2D介孔結構α-MnO2納米片。在此基礎上，通過對錳前驅物以及合成溫度的簡單調控，成功制備了2D非孔結構的Mn3O4以及2D介孔結構的Mn3O4。同時，通過在退火前