锰基氧化物纳米结构薄膜的制备及性能研究

摘要

锰基氧化物纳米材料因其组成和性质的多样性，在能源领域和环保领域均具有广阔的应用前景。与纳米粉体材料相比，基于导电基底的纳米结构薄膜材料具有更大的比表面积，更多的活性位点和更快的电荷运输能力，因而表现出更优异的性能。此外纳米结构薄膜材料作为电极材料时还可大大简化电极制备过程;作为催化剂时，容易进行分离回收重复使用，因而在实际应用方面具有更大的优势。本文基于水解-刻蚀机制，通过合理的设计实验方案，采用水热法制备出了基于镍基底的MnO纳米片阵列和基于铜基底的CuMnO2纳米片阵列，并分别研究了它们在锂离子电池和催化降解染料废水中的应用，主要研究内容总结如下:
　　1、以金属镍为基底，以MnSO4作为锰源，通过水热条件下锰离子的水解对金属镍基底的刻蚀和锰基化合物的沉淀，结合后期煅烧还原过程，制备出在镍基底上生长的MnO纳米片阵列结构。通过改变合成反应中使用的锰盐，可以制备出不同形貌的锰前驱薄膜。将所得到的MnO纳米片阵列结构薄膜作为锂离子电池负极材料，测试其电化学储锂性能。结果表明:MnO纳米片阵列薄膜具有很好的循环性能和倍率性能。在0.2 C和5C下其放电比容量分别为756和414 mAh g-1，且在0.2 C下经过200次循环后放电比容量仍然有690 mAh g-1。以所制备的MnO纳米片阵列结构薄膜直接作为负极与三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2成功构建负极受限的MnO/LNCMO锂离子全电池，在0.2 C和10C倍率下放电比容量分别为560和180 mAh g-1，而且在0.2 C下经过50次循环后放电比容量仍保持在516 mAh g-1。
　　2、以生长在铜箔上的CuO纳米片阵列为模板，MnCl2溶液为锰源，同样基于水解-刻蚀机制，在水热条件下制备得到CuMnO2纳米片阵列，并将其作为催化剂催化H2O2氧化降解亚甲基蓝(MB)溶液，研究MB溶液初始浓度、H2O2用量对催化性能的影响，结果发现当MB浓度为20 mg/L，H2O2用量为0.8mL时，CuMnO2催化剂的催化性能最佳，而且根据实验结果可知染料浓度在35 mg/L之内时，该催化剂均能起到很好的降解效果（降解率大于90％），浓度高达50 mg/L时，仍能取得不错的催化降解作用（降解率为75.8％）;将自制的CuO纳米片阵列和CuMnO2纳米片阵列两种催化剂用来催化H2O2氧化降解MB溶液，其降解率分别为:96.24％、30.88％。说明CuMnO2纳米片阵列催化剂对催化H2O2氧化降解MB染料效果优异。探究CuMnO2纳米片阵列催化剂的稳定性和循环使用性能，结果显示同一片CuMnO2催化剂经过6次重复利用后，MB溶液的降解率有下降趋势较小（首次:96.3％，第五次:92.8％，第6次:87.5％）。此外CuMnO2催化剂能稳定合成出放大的产品，而且相应的大面积的产品在放大体系中仍然具有很好的催化性能，说明CuMnO2催化剂在染料废水的处理方面具有很好的工程应用前景。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 锰基氧化物纳米结构薄膜材料制备方法研究进展

1．2．1 电化学沉积法

1．2．2 化学浴沉积法

1．2．3 水热法

1．2．4 静电喷雾沉积法

1．2．5 射频溅射沉积法

1．3 锰基氧化物纳米结构薄膜材料的相关性能研究进展

1．3．1 锰基氧化物纳米结构薄膜在锂离子电池方面的应用

1．3．2 锰基氧化物纳米结构薄膜在超级电容器方面的应用

1．3．3 锰基氧化物纳米结构薄膜在环保方面的应用

1．4 本课题的选题依据和研究内容

1．4．1 本课题的选题依据

1．4．2 本课题的研究内容

第二章 MnO纳米片阵列的制备及储锂性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要化学试剂与实验仪器

2．2．2 样品制备

2．2．3 样品表征

2．2．4 电化学性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 产物的表征

2．3．2 MnO纳米片阵列的形成机理

2．3．3 MnO纳米片阵列的电化学性能研究

2．3．4 MnO／LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2全电池的构建及电化学性能研究

2．3．5 锰氧化物纳米结构薄膜的拓展制备

2．4 本章小结

第三章 CuMnO2纳米片阵列的制备与催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要化学试剂与实验仪器

3．2．2 样品制备

3．2．3 样品表征

3．2．4 样品对亚甲基蓝溶液的催化性能测试

3．3 结果和讨论

3．3．1 产物的表征

3．3．2 CuMnO2纳米片阵列的形成机理

3．3．3 CuMnO2纳米片阵列的催化性能研究

3．3．4 CuMnO2纳米片阵列的合成放大实验及催化性能研究

3．4 本章小结

第四章 结论和展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文