氧化錳納米材料的形貌可控合成及電化學(xué)性質(zhì)研究

馬琰

（巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

錳的自然資源豐富，價(jià)格低廉，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)任何污染以及同時(shí)具有多種屬于氧化錳的價(jià)態(tài)。同時(shí)，作為一類新型的材料，氧化錳及其結(jié)晶物的化合物已在各種催化、鏗電、超級(jí)離子電容器、吸附、磁電活性質(zhì)料中顯示了許多特殊的化學(xué)性質(zhì)，因此，在催化分子篩、催化復(fù)合材料、鏗電復(fù)合材料和超級(jí)離子電容器及光電極管等材料領(lǐng)域上有很大的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展前景。

1 氧化錳/13X 復(fù)合物的制備及其電容性能的研究

1.1 分子篩

分子合成篩又可簡(jiǎn)稱固體合成篩或沸石，是一種具有均一分子結(jié)構(gòu)，能將不同分子大小的水分子進(jìn)行分離或按其選擇性進(jìn)行反應(yīng)的一種固體化學(xué)吸附催化劑或固體催化劑。狹義地講，分子結(jié)構(gòu)篩指的是具有結(jié)晶態(tài)的一個(gè)硅酸鹽或一個(gè)硅基亞鋁酸鹽，由一個(gè)硅氧四面體或一個(gè)鋁基硅氧四面體分子通過一個(gè)氧原子橋與雙鍵分子相連而成所形成的該分子的小尺寸的其大小通常大約為(0.3 ～2.0nm)的孔道和一個(gè)空腔分子體系，從而使其具有各種篩分分子的獨(dú)殊特性。分子復(fù)合篩按各種骨架結(jié)構(gòu)元素雜原組成分類可以再細(xì)分為磷化硅類和鋁酸鎂類微孔分子復(fù)合篩、磷類和鋁酸鎂類微孔分子復(fù)合篩和各種骨架元素雜原微孔分子復(fù)合篩按孔道大小進(jìn)行劃分，孔道尺寸孔徑小于2nm、2 ～50nm 和孔徑大于50nm 的微孔分子復(fù)合篩分別可以稱為小型微孔、介孔和微型大孔分子復(fù)合篩。分子化的篩與多孔復(fù)合材料物質(zhì)半個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直保持圍繞著多孔材料物質(zhì)的三大重要傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)需要：第一，吸附處理材料，用于食品工業(yè)與應(yīng)用環(huán)境上的氣體分離與空氣凈化、干燥劑等領(lǐng)域；第二，催化處理材料，用于工業(yè)石油食品加工、石油化工、煤化工與工業(yè)精細(xì)化工等工業(yè)領(lǐng)域中大量地用于工業(yè)廢液催化處理過程的技術(shù)需要；第三，離子交換復(fù)合材料，大量廣泛應(yīng)用于工業(yè)洗滌劑處理工業(yè)，礦廠與工業(yè)放射性化學(xué)廢料及工業(yè)廢液的混合處理等，這些也都是如今分子化的篩與多孔材料物質(zhì)久經(jīng)應(yīng)用長(zhǎng)盛不衰且至今尚在保持繼續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的重要原因。

沸石晶體分子快速篩產(chǎn)品具有沸石晶體的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征，表面為一層固體結(jié)構(gòu)骨架，內(nèi)部的固體孔穴結(jié)構(gòu)可直接起到快速吸附沸石分子的重要作用。孔穴之間通常有孔道相互連接，分子由孔道經(jīng)過由于根據(jù)孔穴的分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)性質(zhì)，分子晶體篩的洞穴孔徑大小分布非常均一，因而分子晶體篩依據(jù)其分子晶體內(nèi)部各個(gè)孔穴的孔徑大小對(duì)特定分子晶體進(jìn)行了有選擇性的吸附，也就是既能吸附一定孔大小而又能排斥大部分物質(zhì)的特定分子，因而被形象地地簡(jiǎn)稱為“分子篩”。

1.2 制備

采用液相混合沉淀法。首先，室溫下將MnSO4溶液和適量的13X 氨水混合均勻，磁力快速攪拌30min 之后，將混合體系內(nèi)的溫度慢慢調(diào)到10℃左右，在緩慢磁力攪拌下，將適量氨水逐漸均勻滴入再次混合后的溶液中，調(diào)至溫度pH 穩(wěn)定值為8.5 左右，陳化2h，最后離心分離和氨水洗滌，在100℃下干燥，產(chǎn)物本身就是一種含有不同元素質(zhì)量相等分?jǐn)?shù)的錳二氧化錳/13X 錳的復(fù)合材料。將81wt%的聚二氧化錳/13x%的復(fù)合金屬電極單體材料、乙炔黑、石墨和白色聚四氟乙烯按照規(guī)定質(zhì)量比80：7.5：7.5：5 混合均勻，加入無(wú)水乙醇溶液進(jìn)行分散，然后再布涂在未經(jīng)處理過的堿性泡沫體和鎳集中的流體上，干燥2h 后，在10MPa 的最高壓力下，用手動(dòng)顎式油壓機(jī)加熱壓制進(jìn)行處理、浸泡，作為復(fù)合正極單體材料用并進(jìn)行復(fù)合電化學(xué)性能的試驗(yàn)測(cè)試，活性炭材料作為復(fù)合負(fù)極單體材料及其制作方法應(yīng)用同上。

1.3 表征性能

采用新型多相位用途物相激光管和粉末物相激光衍射儀對(duì)未經(jīng)測(cè)試過的樣品內(nèi)部部件進(jìn)行物相衍射溫度測(cè)試，測(cè)試時(shí)所用的光線為一條CuKa 線，λ=1.5418nm，管物相衍射啟動(dòng)電壓為40kV，管物相衍射啟動(dòng)電流一般設(shè)定為40mA，掃描儀的溫度檢測(cè)范圍一般設(shè)定為5°～70°。

氧化錳和鋰復(fù)合所用電極為氧化正極，活性炭復(fù)合電極為氧化負(fù)極，組成兩合一電極測(cè)試體系，在1mol·L-1KOH 的氧化水溶液，在二次儲(chǔ)能電池產(chǎn)品性能質(zhì)量檢測(cè)測(cè)試裝置和中國(guó)新威高能全精度二次電池產(chǎn)品性能質(zhì)量測(cè)試管理系統(tǒng)上分別進(jìn)行恒流循環(huán)充放電性能測(cè)試、漏電保護(hù)測(cè)試，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)在恒流循環(huán)20 周后和循環(huán)室溫20℃之間進(jìn)行恒流記錄分析測(cè)試，以上述優(yōu)質(zhì)二氧化錳和鋰復(fù)合所用電極電池為恒流研究測(cè)試電極，氧化活性汞復(fù)合電極為恒流參比電極，以上述大面積氧化活性炭復(fù)合電極為恒流輔助測(cè)試電極，組成三合一電極測(cè)試體系，對(duì)上述二氧化錳和鋰復(fù)合所用電極電池進(jìn)行恒流電化學(xué)性能分析測(cè)試，以5mv/s 的恒流掃描測(cè)試速度對(duì)上述二氧化錳和鋰復(fù)合所用電極電池進(jìn)行恒流循環(huán)2kV 安放電測(cè)試，考察上述二氧化錳和鋰復(fù)合所用電極在1mol·L-1KOH 的水溶液過程中的正極電容變化行為。

最終結(jié)果表明，非無(wú)定形多孔端子結(jié)構(gòu)比固定晶態(tài)多孔結(jié)構(gòu)更適用于超級(jí)端子電容器中的電極端子材料，因?yàn)槠渲袩o(wú)定形水合物和氧化錳酸的能量可使超級(jí)電解液更容易直接進(jìn)入超級(jí)電極端子材料內(nèi)部，使得該材料的綜合利用率甚至可達(dá)對(duì)于多晶態(tài)材料結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，電解液不容易直接進(jìn)入電解到已經(jīng)電極化的材料內(nèi)部。

2 立方形錳的介孔體二氧化錳的礦物制備和化學(xué)表征

2.1 二氧化錳介孔功能晶體材料

氧化錳材料是一種重要的化學(xué)功能復(fù)合材料，因?yàn)樗哂胁煌幕瘜W(xué)性能而可以具有較寬的磁場(chǎng)應(yīng)用，如電磁吸附、催化、鏗電和高壓電容器等。從工作原理上來(lái)講，陽(yáng)極等離子材料表面作為活性劑的所用碳鏈介孔長(zhǎng)度與材料所用于制備金屬氧化錳固體材料的碳鏈介孔長(zhǎng)度孔徑和比材料表面積之間可能存在某種直接關(guān)聯(lián)，但目前還沒有證據(jù)發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)上有人對(duì)此問題進(jìn)行深入研究，因此，對(duì)于探討制備模板催化劑的所用碳鏈介孔長(zhǎng)度和所用于制備復(fù)合錳金屬氧化物固體材料的碳鏈介孔長(zhǎng)度孔徑和比材料表面積之間的某種關(guān)聯(lián)問題具有重要的國(guó)際學(xué)術(shù)研究意義。采用不同長(zhǎng)度碳鏈碳帶表面介孔活性劑通過不同水熱法反應(yīng)制備的二氧化錳介孔功能晶體材料，用新的XRD、BET 等水熱技術(shù)所使得制備的功能材料可以進(jìn)行化學(xué)表征，探討了碳鏈表面介孔活性劑中的碳鏈介孔長(zhǎng)度對(duì)碳帶介孔功能材料各個(gè)介孔面的孔徑和比例對(duì)表面積的直接影響，以及重點(diǎn)探索了材料制備中提出的碳鏈介孔功能材料在高壓電容器和正電極介孔材料上實(shí)際應(yīng)用的一些影響問題。

2.2 制備

將其中DTAB 依次溶于水中加入形成0.5wt%的酸性溶液，向此水的溶液中再次加入形成NaOH%的溶液，完全充分溶解后再將其加入形成MnSO4H2O 的溶液，使得上述反應(yīng)物摩爾比的計(jì)量關(guān)系公式符合以下的計(jì)算式子，即DTAB/Mn2+=4：1，乃以加鐵礦，得到棕色或黑色黏稠漿狀的水混合物，將此漿狀混合物反復(fù)攪拌2.5h 后將其裝入低溫高壓釜中，在100℃的高溫烘箱中陳化48h，得到將該產(chǎn)物經(jīng)高溫抽濾、洗滌及再用室溫加熱干燥后得最終合成產(chǎn)物。

2.3 表征性能

采用新型多相位用途物相激光器和粉末物相激光衍射儀對(duì)本次測(cè)試到的樣品內(nèi)部顆粒進(jìn)行物相衍射性的測(cè)試，測(cè)試時(shí)采用的引線為CuKaa 線，λ=1.5418nm 為管出引線，管入和輸入輸出電壓為40kV，管入和輸出輸入電流的平均值設(shè)定40ma。循環(huán)伏安測(cè)試在一個(gè)位于電化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室的工作站上方并繼續(xù)向下進(jìn)行。采用微電極鉑片進(jìn)行溫度測(cè)試，飽和后的氧化甘汞鉑片為一個(gè)新的參比電極，鉑片為一個(gè)具有輔助性的參比電極，組成三維微電極溫度測(cè)試管理體系，在1M Na2SO4電解液中依次掃描進(jìn)行三維溫度分析測(cè)試，掃描后的溫度測(cè)試范圍一般設(shè)定為0.-0.1—0.45v。

3 結(jié)語(yǔ)

錳二氧化錳等多種超離子納米材料以其良好的離子交換和活性在其分子中的化學(xué)包括吸附、電化學(xué)、催化和磁性能研究引起了我對(duì)化學(xué)和生物材料過程工作者的性能研究極大興趣。如何合理地配置控制建筑材料的定向柔性生長(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)乃至晶體組成及其晶體物性的合理化和科學(xué)定量調(diào)控，對(duì)于我們能夠深入細(xì)致地研究形貌與晶體組成及其晶體物性的密切聯(lián)系、并最終對(duì)實(shí)現(xiàn)各種納米材料的完全可控制和合成過程具有重要的技術(shù)意義。