ZnMn2O4微-納米結(jié)構(gòu)的制備及其特性研究.pdf

1、近年來，錳基過渡金屬氧化物由于在許多方面如鋰離子電池、電容器、傳感器等方面有著優(yōu)異的性能，已經(jīng)吸引了科學(xué)家們強(qiáng)烈的研究興趣。其中ZnMn2O4由于其環(huán)境友好、來源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，各種結(jié)構(gòu)的 ZnMn2O4納米材料的已經(jīng)制備出來，如納米球、納米花、納米棒、納米管等。在錳酸鋅的性能研究中，電極材料的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和形貌對(duì) ZnMn2O4的電化學(xué)性能有很大的影響。因此，改善結(jié)構(gòu)、簡化方法、提高性能是一項(xiàng)比較有意義的研究

2、工作。
　　制備不同形貌的 ZnMn2O4納米結(jié)構(gòu)及它在催化領(lǐng)域和電化學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)有許多報(bào)導(dǎo)，然而Mg/Cd元素?fù)诫sZnMn2O4納米結(jié)構(gòu)、ZnMn2O4納米復(fù)合結(jié)構(gòu)及它的發(fā)光特性很少被提及。目前，ZnMn2O4的制備技術(shù)已經(jīng)非常成熟，如靜電紡絲法、尿素燃燒法、溶膠-凝膠法、模板法、水熱法等。然而如何制備高性能及形貌可控的 ZnMn2O4一維納米材料仍然是亟待解決的關(guān)鍵問題。ZnMn2O4是一種三元復(fù)合過渡金屬氧化物，具有典型

3、的尖晶石結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)過程中很容易存在多種二元氧化物。如何通過控制Mg（Cd）含量的有效摻雜，提高ZnMn2O4的性能也是一個(gè)尚待解決的問題。
　　本論文采用水熱法，在不同的反應(yīng)條件下制備了 ZnMn2O4納米結(jié)構(gòu)，然后選取最優(yōu)的反應(yīng)條件制備 ZnMn2O4多孔微米球結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)的測(cè)試了它的電化學(xué)性能；進(jìn)而選取最優(yōu)條件下的樣品進(jìn)行Mg和Cd的摻雜；使用水熱法和化學(xué)氣相沉積法制備Mg摻雜的ZnO納米結(jié)構(gòu)，選取最優(yōu)的樣品對(duì)ZnMn2O4

4、進(jìn)行復(fù)合，研究了復(fù)合對(duì)材料樣品性能的影響，并系統(tǒng)的分析了測(cè)試結(jié)果（如下所示）。
　　(1)采用水熱法制備了不同生長條件下的ZnMn2O4微/納米結(jié)構(gòu)，分析了不同的生長溫度和時(shí)間對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)、形貌和性能的影響。對(duì)生長溫度為200℃時(shí)的純的ZnMn2O4樣品進(jìn)行XRD、SEM的對(duì)比，結(jié)果顯示開始的時(shí)候隨著生長時(shí)間的增加，樣品的結(jié)晶性和形貌變的越來越好，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從24h到32h的時(shí)候，樣品的結(jié)晶性和形貌又會(huì)變差，光降解亞甲基藍(lán)溶液的圖

5、譜顯示在24h條件下制備的樣品有著較好的催化效果，這與樣品的晶粒大小和比表面積有關(guān)。同時(shí)對(duì)不同反應(yīng)溫度，生長時(shí)間為6 h時(shí)的純的ZnMn2O4樣品進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，并選取最優(yōu)條件制備不同基片上的樣品后進(jìn)行了電化學(xué)性能的有關(guān)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示反應(yīng)溫度140℃，生長時(shí)間6 h是制備ZnMn2O4樣品的最優(yōu)條件，樣品的結(jié)晶性和形貌在相同的時(shí)間，不同的反應(yīng)溫度條件下隨著反應(yīng)溫度的升高而變差，泡沫鎳基片上的樣品有著良好的循環(huán)性和很好的頻率響應(yīng)特性。

6、
　　(2)采用溶劑熱法制備了ZnMn2O4微米球結(jié)構(gòu)，首先制備了ZnMn2O4粉末，然后制備不同基片上的樣品，分別對(duì)粉末和基片上的樣品進(jìn)行基本表征和電化學(xué)性能的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ZnMn2O4為多孔微米球結(jié)構(gòu)，有著良好的結(jié)晶性和較高的純凈度；電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明不同的基片對(duì) ZnMn2O4材料的電化學(xué)性能影響特別大，其中泡沫鎳基片上的樣品的電化學(xué)性能最好，有著較高的比電容(128 Fg-1)和極小的內(nèi)阻。
　　(3)研究了

7、Mg摻雜、Cd摻雜對(duì)ZnMn2O4樣品的結(jié)構(gòu)、形貌和性能的影響。結(jié)果表明：摻雜Mg元素之后，ZnMn2O4樣品仍然為典型的尖晶石結(jié)構(gòu)，形貌變成了絮狀結(jié)構(gòu)，但是樣品的衍射峰變強(qiáng)、變窄，這說明樣品的結(jié)晶性變好，而且樣品的尺寸變?。还庵掳l(fā)光圖譜顯示樣品在可見光范圍內(nèi)只有一個(gè)綠光發(fā)光峰，這是因?yàn)镸g離子的摻雜使得樣品的內(nèi)部產(chǎn)生了更多的氧空位，位于氧空位上的電子發(fā)生躍遷的時(shí)候發(fā)出綠光發(fā)射峰。對(duì)Cd摻雜ZnMn2O4樣品進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，Zn

8、Mn2O4樣品的形貌為表面光滑的微米球結(jié)構(gòu)，Cd原子以嵌入的方式嵌入到晶格中，樣品的純度很高并且有著較高的比電容(364 Fg-1)，比電容的增加與離子的插層和嵌入層有關(guān)，Cd的摻雜使得樣品的膨脹率增加，從而導(dǎo)致工作電極的尺寸變化。
　　(4)采用水熱法和CVD法分別制備不同Mg摻雜含量的ZnO納米結(jié)構(gòu)，為了提高樣品的光催化性能，我們選取最優(yōu)的樣品進(jìn)行ZnMn2O4/Mg-doped ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備，對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行SE