纳米二氧化锰的制备及其应用研究

论文摘要

二氧化锰作为重要的过渡金属氧化物,由于其良好的氧化还原特性,在电池材料等多项领域中已经得到广泛应用。纳米二氧化锰由于其具有特殊的纳米效应,在应用上得到了更大的扩展。目前,制备具有高性能纳米结构的二氧化锰,开发二氧化锰的潜在应用已成为研究的热点。本论文制备了二氧化锰纳米片（manganese oxides nanosheets, MONS）和纳米棒,并分别研究了其在电致变色和催化以及生物传感器中的应用。本论文以硝酸锰为原料,通过水热法和插层剥离结合的方法制备了二氧化锰纳米片。通过层层自组装的方法制备了MONS薄膜电极。研究了电极在氯化钾电解液中的电致变色行为,推导了电致变色的反应机理。在循环伏安（cyclic voltammeter, CV）测试中,CV正向扫描时,MONS薄膜由淡黄色变为深棕色;在CV负向扫描时,MONS薄膜由深棕色变为淡黄色,并发生重新着色。实验结果说明二氧化锰的电致变色是由锰价态的改变和钾离子的嵌入脱出共同引起,锰由三价变为四价伴随钾离子嵌入,MONS薄膜着色,锰由四价转化为三价,同时钾离子脱出,MONS薄膜褪色。本论文以高锰酸钾、硫酸锰和硫酸铜为原料,通过水热反应制备了铜修饰的α结构二氧化锰纳米棒（CuO@α-MnO2）。研究通过X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对不同条件下制备的样品进行的晶体结构、化学组成和表面形貌分析,推测了CuO@α-MnO2纳米棒的生成机理。实验结果表明晶体的生长存在一个δ→α-MnO2的结构转变,纳米棒是由纳米片状结构卷曲生长形成。实验研究了CuO@α-MnO2对次氯酸钠的催化分解情况,结果显示CuO@α-MnO2对次氯酸钠有良好的催化分解特性,在75℃下,5分钟内可以使次氯酸钠的分解率达到99%以上,这为工业上的应用提供了可能。本论文以高锰酸钾和硫酸锰为原料,通过水热反应制备了α-MnO2纳米棒。组装了二氧化锰-明胶/玻碳电极（MnO2-gelatin/GCE）,利用二氧化锰对过氧化氢的催化特性,研究了MnO2 -gelatin/GCE电极对过氧化氢的电化学响应特性。实验结果表明所制备的电极对过氧化氢的响应速度快,响应时间为6-7 s;响应电流大,灵敏度为32.5μA/cm2·mmol;检测限低,电极的检测限为1.9×10-7mol/L。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 二氧化锰的结构性质
• 1.2 纳米材料的基本概念及性质
• 1.2.1 表面效应
• 1.2.2 小尺寸效应
• 1.2.3 量子尺寸效应
• 1.2.4 宏观量子隧道效应
• 1.3 纳米二氧化锰的制备方法
• 1.3.1 水热法
• 1.3.2 模板法
• 1.3.3 溶胶-凝胶法
• 1.3.4 化学沉淀法
• 1.3.5 固相合成法
• 1.3.6 微乳液法
• 1.4 纳米二氧化锰应用研究现状
• 1.4.1 电极材料
• 1.4.2 电致变色应用
• 1.4.3 催化应用
• 1.4.4 生物传感器应用
• 1.5 课题研究背景及意义
• 1.6 课题研究内容
• 参考文献
• 第二章 化学试剂、实验设备和表征方法
• 2.1 化学试剂和实验材料
• 2.2 实验设备
• 2.3 主要测试实验
• 2.3.1 电化学测试
• 2.3.2 次氯酸钠催化分解测试
• 2.3.3 次氯酸钠含量测定
• 2.4 表征方法
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.3 X 射线能量色散能谱（EDS）
• 2.4.4 X 射线衍射（XRD）
• 2.4.5 原子力显微镜（AFM）
• 2.4.6 紫外可见光谱（UV-VIS）
• 2.4.7 BET 比表面积测试
• 2.4.8 X 射线光电子能谱（XPS）
• 第三章 二氧化锰纳米片的制备及其电致变色性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 二氧化锰纳米片的制备
• 3.3 二氧化锰纳米片薄膜电极的制备
• 3.4 电化学属性
• 3.4.1 变色电化学窗口确定
• 3.4.2 薄膜着色和褪色
• 3.4.3 循环性测试
• 3.5 MONS 薄膜的光学特性
• 3.6 变色机理解释
• 3.6.1 着色机理
• 3.6.2 褪色机理
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 2纳米棒及其催化性能研究'>第四章 水热合成铜修饰α-Mn0₂纳米棒及其催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 纳米二氧化锰棒制备
• 4.2.1 二氧化锰纳米棒
• 4.2.2 铜修饰二氧化锰纳米棒
• 4.3 材料结构表征及分析
• 4.3.1 XRD 分析
• 4.3.2 XPS 分析
• 4.3.3 材料的形态结构
• 4.4 催化性能研究
• 4.4.1 不同催化剂对次氯酸钠的分解特性
• 2 样品对次氯酸钠的分解特性'>4.4.2 不同水热反应时间制备的S₂样品对次氯酸钠的分解特性
• 4.4.3 不同反应温度对次氯酸钠的分解影响
• 4.5 次氯酸钠分解小试
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 纳米二氧化锰在生物传感器中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 二氧化锰纳米棒的制备
• 5.3 二氧化锰-明胶/玻碳电极的制备
• 5.4 材料结构表征
• 5.5 电化学性能测试及讨论
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 6.1 二氧化锰纳米片的电致变色性能研究
• 6.2 铜修饰二氧化锰纳米棒的制备及其催化性能研究
• 6.3 二氧化锰纳米棒对过氧化氢的催化性能研究
• 在读研究生期间发表的论文
• 致谢