MnO微纳结构形貌控制合成及其催化动力学研究

摘要

本文以MnSO4为锰源,尿素为沉淀剂和十六烷基三甲基溴化铵(Cetyltrimethylammonium bromide,CTAB)为结构导向剂,通过控制合成参数,制备一系列具有不同形貌的MnOx微纳结构材料；同时,用所合成的Mn3O4八面体纳米单晶对亚甲基蓝溶液催化降解性能进行系统研究。
　　 借助SEM图、TEM图、XRD曲线、Raman曲线、FT-IR曲线、N2吸附.脱附和TG-DSC等表征手段,研究了MnOx微纳结构材料的晶体形貌和结构、晶型、比表面积、孔径分布和热稳定性。微纳米晶体的尺寸和形貌可通过改变实验参数轻易控制。结果表明:水体积在200 ml时,主体是Mn3O4八面体纳米材料,其平均尺寸与反应时间有关,反应时间在8 h、16 h和24 h其对应的平均尺寸为151.5 nm、238.3 nm和390 nm；升高温度(150°C)和使用CTAB/PVP混合表面活性剂能相应改善八面体分散程度,而单独使用P123时,晶体结构转换成球形:改变锰源,其形貌由八面体向多面体及纳米棒形貌转变；在600。C焙烧4 h,晶体由M.113O4转变成Mn2O3；此体系下,缺点是产率较低。水体积在180mL～190mL时,特别是在180 mL,体积水时,在85°C条件下反应,八面体产率接近100％。然而,水体积在50 mL～150 mL,时,在120°C条件下反应,其形貌几乎为M112O3立方体微米结构。
　　 以Mn3O4八面体纳米晶体做催化剂,以H2O2为氧化剂,催化降解亚甲基蓝(MB)溶液。系统考察了反应温度、MB初始浓度、142O2质量分数、催化剂用量和不同形貌Mn3O4对MB降解率的影响。结果表明,反应温度、H2O2质量分数和不同形貌Mn3O4影响最为明显,且在最佳实验条件下其降解率达到99.68％,而MB初始浓度和催化剂用量对其影响并不显著；同时,通过对反应后溶液离子色谱分析可知MB基本上转化成无机盐(SO42-和NH4+离子浓度分别为2.13μmol·L-1和6.94μmol'L-1),FT-IR曲线分析可断定亚甲基蓝中的苯环结构消失。反应结束,将体系溶液与Mn304催化剂分离,对体系溶液蒸干后固体产物的XRD曲线、EDX和SEM图分析,可知此产物为含Mn、P、O、H元素的无机盐,且其形貌随溶液pH不同发生改变。此外,多次循环使用后催化剂仍保持很高的催化活性,其降解率仍达到90％以上,并推测出其可能反应机理。
　　 通过对MnOx微纳米结构的系统研究,为验证这种方法的普遍性,以相同的方法对其他过渡金属氧化物纳米结构的合成进行了～系列探索性研究。在200mL溶液体系中,以尿素为沉淀剂,CTAB为结构导向剂,加入金属盐(Co(NO3)2·6H2O,CdCl2·2.5H2O,Cu(NO3)2·3H2O),在85°C下晶化1d,并在一定温度下焙烧获得相应的纳米结构金属氧化物(CO3O4.、CdO、CuO),此体系也可以用于FePO4纳米材料的合成；与此同时,采用金属离子与有机物形成金属有机配合物,再将此化合物400°C焙烧得到相应的过渡金属氧化物。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 锰氧化物性质与结构

1.2 锰氧化物合成方法

1.2.1 沉淀法

1.2.2 水热溶剂热合成法

1.2.3 模板法

1.2.4 热分解法

1.2.5 溶胶-凝胶法

1.2.6 电化学法

1.2.7 超声波法

1.3 锰氧化物的应用

1.3.1 催化剂

1.3.2 电池材料

1.3.3 污水处理

1.3.4 超级电容器

1.3.5 其他应用

1.4 本论文的选题背景、创新点

1.4.1 选题背景

1.4.2 创新点

1.5 论文纵览

第2章 微纳米晶氧化锰的制备

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 药品与试剂

2.2.2 仪器及参数

2.2.3 油酸锰化合物制备

2.2.4 不同形貌的MnOx微纳米材料制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 DSC-TG和XRD曲线分析

2.3.2 Raman曲线和FT-IR曲线分析

2.3.3 SEM和TEM图分析

2.3.4 晶体形貌影响因素

2.4 本章小结

第3章 Mn3O4八面体纳米单晶降解亚甲基蓝(MB)催化动力学研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 药品与试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 催化性能的研究方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 Mn3O4八面体结构催化性能

3.3.2 不同温度下催化剂的催化降解性能

3.3.3 MB初始浓度对降解率影响

3.3.4 H2O2质量分数对降解率影响

3.3.5 催化剂量对降解率影响

3.3.6 反应溶液的离子色谱和FT-IR曲线分析

3.3.7 催化剂循环使用性能研究及反应前后形貌变化

3.3.8 反应溶液蒸干后产物确定

3.3.9 反应机理推测[147-149]

3.4 本章小结

第4章 其他过渡金属氧化物(Co3O4、CdO、CuO)及FePO4形貌控制研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 药品与试剂

4.2.2 实验仪器及参数

4.2.3 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 Co3O4纳米棒的结果与讨论

4.3.2 CdO纳米纤维的结果与讨论

4.3.3 CuO纳米片的结果与讨论

4.3.4 金属有机配合物的结果与讨论

4.3.5 FePO4的结果与讨论

4.4 今后工作方向

4.4.1 过渡金属氧化物(Co3O4、CdO、CuO)

4.4.2 FePO4

4.5 展望

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间发表学术论文目录

致谢