几种锰氧化物纳米材料的合成、表征及其在颜料催化降解中的应用

论文摘要

纳米材料由于其一些独特的性质,如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等而引起人们的高度关注。然而,由于纳米材料的组成和形貌也是决定纳米材料性质的重要因素,实现它们的可控选择性合成,是纳米科学和技术重要的研究方向。此外,制备纳米材料成本低廉,有利于环境保护也是无机合成化学的重要任务。锰元素氧化态和晶体结构的多样性,使得氧化锰纳米材料呈现出诸如MnO2、MnOOH、Mn2O3和Mn3O4等不同的结构存在形式。而不同形貌氧化锰纳米材料由于具有许多特殊的物理和化学性质,使其在催化材料、锂离子二次电池的正极材料和新型磁性材料等方面显示了广阔的应用前景。随着现代社会的快速发展,环境问题已经引起越来越多的关注。利用纳米材料比表面大的特性应用于环境污染物的催化降解也是当前的研究热点。在本论文中,通过不同的方法合成了具有不同晶体结构、氧化态和形貌的氧化锰纳米材料,测定了它们的电化学性能,研究了它们在染料催化降解中的应用,主要结果如下：1.在低温条件下通过溶剂辅助水热氧化法和溶剂热氧化法,分别合成了Mn3O4六边形纳米片和纳米粒。合成的产物经粉末X射线衍射（XRD）,场发射扫描电子显微镜（FESEM）,透射电子显微镜（TEM）,高分辨透射电子显微镜（HRTEM）,电子衍射（ED）,傅立叶变换红外光谱（FT-IR）进行了定性分析,采用循环伏安法（CV）比较了它们的电化学性质,以及在室温和大气压力下比较了它们催化氧化甲醛得到甲酸的能力。结果表明,纳米粒子和六边形修饰电极与纳米碳黑混合均有较高的比容量,但Mn3O4的六边形纳米片是一个更好的催化剂。2.采用水热法通过MnO4-和CH2O之间的氧化还原反应,分别在120℃和200℃下反应10h合成了MnOOH纳米棒和Mn3O4类八面体纳米材料。将MnOOH在马夫炉中于300℃煅烧3h得到P-MnO2纳米线。所合成的产物采用XRD、FE-SEM、TEM、SA-ED、HR-TEM、BET和UV-vis漫反射光谱进行了表征。比较研究了它们在通空气氧的水中和可见光辐照下,催化降解茜素黄R的能力,降解产物采用UV-vis和GC-MS进行定量定性分析。在此基础上,研究了pH和温度对催化降解作用的影响。结果表明在这些MnOx纳米结构中,β-MnO2纳米线的比电容和催化活性明显高于Mn304类八面体和MnO（OH）纳米棒,在两个小时内β-MnO2纳米线在光照下通氧可使茜素黄R的降解率达到98%。并就光催化降解茜素黄R的自由基机理进行了讨论。3.类水纳猛矿（Birnessite）相K05Mn204.3（H20）0.5纳米管和纳米棒通过在聚乙二醇-三聚氰胺-甲醛体系中煅烧醋酸锰和氢氧化钾得到。所合成的产品利用FE-SEM. TEM、HR-TEM、XRD、FT-IR、SA-ED和EDX进行了表征。采用TGA研究了样品的热力学行为和水含量,采用N2吸收解吸等温线确定了比表面积。样品的形态学演变表明反应温度和反应时间对终产物形态起决定性作用。并对定向吸附进程（OA-TD）管-棒转换过程进行了讨论。测定了K0.5Mn2O43（H20）0.5纳米结构催化降解番红O（SO）的活性,结果表明管状结构产品的催化效率明显高于棒状结构。4.发展了一种简单直接的一步反应的水热途径合成了KxCoyMn8-yO16纳米材料,XRD, FT-IR, SA-ED和EDXA（能量色散x射线分析）研究表明钻嵌入了钾锰氧化锰中。FE-SEM, TEM和HRTEM测定的结果表明KxCoyMn8-yO16空球为多品结构,由排列整齐的纳米片构成。采用N2吸收解吸等温线确定了比表面积和孔径,该空球的比表而积约为292.03 mag-1。反应物的摩尔比和反应时间对终产物的形态产生重要影响。采用在室温下降解罗丹明B和甲基红溶液的方法评估了钴嵌入的OMS-2微球的催化活性。另外,还研究了钻在纳米氧化锰材料中比例对染料催化降解效率的影响。结果表明Co/Mn高摩尔比所获得的KxCoyMn8-yO16微球的催化效率明显高于Co/Mn低摩尔比所得产物的催化效率。

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摘要

ABSTRACT

Content

1 Introduction

1.1 Nanoscience and Nanotechnology

1.2 Crystal structures of manganese oxides

1.3 Synthesis of manganese oxides nanomaterials

1.4 Manganese oxides Applications

1.5 Research aim and content of the thesis

References

3O₄ Nanoplates and Nanoparticles:Synthesis,Characterization,Electrochemicaland Catalytic Properties'>2 Mn₃O₄ Nanoplates and Nanoparticles:Synthesis,Characterization,Electrochemicaland Catalytic Properties

2.1 Introduction

2.2 Experimental procedures

2.3 Results and discussion

2.4 Conclusion

References

3 Preparation of Manganese Oxide Nanowires and Their Electrochemical andPhotocatalytic Properties

3.1 Introduction

3.2 Experimental procedures

3.3 Results and Discussion

3.4 Conclusion

References

0.5Mn₂O_4.3（H₂O）_0.5 Nanotubes and Nanorods'>4 Synthesis, Characterization and Catalytic Activity of Birnessite TypeK_0.5Mn₂O_4.3（H₂O）_0.5 Nanotubes and Nanorods

4.1 Introduction

4.2 Experimental section

4.3 Results and Discussion

4.4 Conclusion

References

xCo_yMn_8-yO₁₆ Hollow Spheres and Their Catalytic Properties'>5 One-pot Synthesis of K_xCo_yMn_8-yO₁₆ Hollow Spheres and Their Catalytic Properties

5.1 Introduction

5.2 Experimental Section

5.3 Results and Discussion

5.4 Conclusion

References

6 Full-text Summary and Main Innovation Points

6.1 Full-text Summary

6.2 Main Innovation Points

2 Nanowires'>Appendix Ⅰ. MS Spectra of Degradation Products of Alizarin Yellow R Catalyzed by β-MnO₂Nanowires

Appendix Ⅱ. The Published Articles During the Doctorate

Acknowledgment

几种锰氧化物纳米材料的合成、表征及其在颜料催化降解中的应用

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