水热合成MnO_2纳米材料与其电化学性能学年

摘要：近年来，MnO_2纳米材料因其独特的物理与化学特性，广泛的运用于锂离子电池、离子交换、分子吸附、锌锰电池、生物传感器、催化剂材料、磁性材料以及超级电容器等诸多领域。自20世纪90年代以来，纳米科技向电化学领域渗透，科技工作者开始研发纳米级MnO_2材料。由于其具有电化学性能良好、成本低、环境友好等特点，由此，在工业生产、传感器及家庭电器电源等方面具有广泛的运用前景。本论文主要集中探讨了MnO_2纳米棒及纳米线的合成、表征、构建的电化学传感器以及在超级电容器方面的运用。一、水热法制备β-MnO_2纳米棒及亚硝酸盐传感器的构建采取一种简单的水热策略来制备均一的、单晶β-二氧化锰(β-MnO_2)纳米棒，这种合成策略利用的原料简单，只用高锰酸钾和亚硝酸钠在硫酸提供的酸性条件下反应，无需任何晶种和模板。这种策略制备的β-MnO_2纳米棒的平均直径为300±20nm，长度为1.2±0.2μm。而且，还对反应溶液pH值、反应温度以及反应物摩尔比对最终产品形貌的影响进行了详细探讨。另外，探讨了所制备的β-MnO_2纳米棒对亚硝酸盐的催化氧化能力。结果表明，制备的传感器不仅具有较宽的线性范围(0.29μM~26.09mM，R=0.9986)，较高灵敏度(1.21μA·mM~(-1))，以及低检出限(0.29μM，S/N=3)，而且响应很快(﹤5s)。二、利用β-MnO_2纳米棒构建过氧化氢传感器本论文利用β-MnO_2纳米棒修饰玻碳电极，构建了一种新型的过氧化氢(H2O_2)传感器。β-MnO_2纳米棒是通过简单的水热法制得的，并对材料进行扫描电子显微镜和X射线衍射表征。通过循环伏安法表征β-MnO_2纳米棒修饰玻碳电极的电化学性能。此传感器对过氧化氢体现良好的催化氧化能力，以2.45μM到42.85mM范围内都体现出良好的线性联系；灵敏度高(21.74μA·mM-1)；检测限低(2.45μM, S/N=3)；响应快(小于5s)等优点。三、简单水热法合成MnO_2纳米线以及在超级电容器中的运用采取一种简单的水热策略来制备形貌均一的、单晶γ-MnOOH纳米线，然后在300℃下煅烧2h，将γ-MnOOH转化为β-二氧化锰(β-MnO_2)纳米线。这种合成策略的原料简单易得，以高锰酸钾和六次四胺反应系统为探讨对象，反应历程无需任何晶种或模板。对照实验探讨了反应物浓度比、反应时间和反应温度对产物MnOOH的晶型和形貌的影响。结果表明在水热130℃、反应物浓度比1:1条件下反应5h，是形成γ-MnOOH纳米线的最佳条件。另外，以β-MnO_2纳米线作为活性物质制成碳糊电极,探讨其电化学性能。循环伏安浅析表明，电极在1.0mol·L-1的Na2SO_4溶液中，0～0.8V (vs. SCE)电位范围内,体现出良好的电容性能，在扫速是5mV·s~(-1)时，比电容容量是262.7F·g-1。而且以50mV s~(-1)时做循环测试，其比容量可达120F·g~(-1)。经150次循环，比容量保持率在95%以上。关键词：二氧化锰论文水热法论文纳米棒论文纳米线论文亚硝酸盐论文过氧化氢论文传感器论文超级电容器论文

摘要4-6

ABSTRACT6-8

目录8-11

第一章 绪论11-25

1.1 纳米材料的进展11-13

1.2 纳米材料的特性13-17

1.2.1 量子尺寸效应13-14

1.2.2 表面效应14

1.2.3 小尺寸效应14-15

1.2.4 宏观量子隧道效应15

1.2.5 库伦堵塞与量子隧穿15

1.2.6 介电限域效应15-16

1.2.7 电学性质16-17

1.3 二氧化锰纳米材料17-23

1.3.1 二氧化锰纳米材料的性质17

1.3.2 二氧化锰的晶体结构17-20

1.3.3 二氧化锰纳米材料的制备20-22

1.3.4 MnO_2纳米材料的探讨近况22-23

1.4 本论文的探讨依据、思路及主要内容23-25

1.4.1 探讨依据23

1.4.2 探讨思路23-24

1.4.3 主要内容24-25

第二章 水热法制备β-MnO_2纳米棒及亚硝酸盐传感器的构建25-45

2.1 引言25-26

2.2 实验部分26-27

2.2.1 试剂与仪器26

2.2.2 制备二氧化锰纳米棒26

2.2.3 制备用 MnO_2纳米棒修饰电极26-27

2.2.4 表征27

2.3 结果与讨论27-43

2.3.1 反应原理27-30

2.3.2 反应时间对形貌的影响30-33

2.3.3 反应温度对产物形貌的影响33-35

2.3.4 硫酸用量对产物形貌的影响35-36

2.3.5 亚硝酸盐浓度对产物形貌的影响36-37

2.3.6 电化学性质的探讨37-42

2.3.7 电极的重现性及抗干扰实验42-43

2.4 结论43-45

第三章 利用β- MnO_2纳米棒构建过氧化氢传感器45-55

3.1 引言45-46

3.2 实验部分46-47

3.2.1 试剂与仪器46

3.2.2 制备β- MnO_2纳米棒46

3.2.3 β-MnO_2纳米棒修饰玻碳电极的制备46-47

3.3 结果与讨论47-54

3.3.1 β-MnO_2纳米棒的表征47-48

3.3.2 不同修饰电极对过氧化氢的循环伏安响应48-49

3.3.3 磷酸盐缓冲溶液的 pH 值对电化学反应的影响49-50

3.3.4 β-MnO_2纳米棒修饰电极的电化学性能50-53

3.3.5 传感器的重现性，稳定性和抗干扰性53-54

3.4 结论54-55

第四章 简单水热法合成 MnO_2纳米线以及在超级电容器中的运用55-71

4.1 引言55-56

4.2 实验部分56-57

4.2.1 试剂与仪器56

4.2.2 MnO_2纳米线的制备56-57

4.2.3 β-MnO_2纳米线修饰碳糊电极的制备57

4.2.4 性能测试57

4.3 结果与讨论57-68

4.3.1 制备 MnOOH 的反应原理57-58

4.3.2 反应温度对产物形貌的影响58-60

4.3.3 反应时间对产物形貌的影响60-61

4.3.4 反应物浓度比例对产物形貌的影响61-62

4.3.5 β-MnO_2的制备及表征62-63

4.3.6 β-MnO_2的循环伏安特性63-66

4.3.7 β-MnO_2的阻抗特性66-67

4.3.8 循环次数的探讨67-68

4.5 结论68-71

第五章 结论和展望71-73