低熱固相合成MnO2

1、Company Logo 低熱固相合成低熱固相合成MnOMnO2 2 Company Logo主要內(nèi)容主要內(nèi)容低熱固相反應法的含義低熱固相反應法的含義 1.低熱固相合成低熱固相合成MnO2意義意義2.制備納米制備納米MnOMnO2 2設計思路設計思路3.制備納米制備納米MnOMnO2 2的實驗方案的實驗方案4.Company Logo一一低熱固相合成的含義低熱固相合成的含義所謂的低熱固相合成反應是指反應溫度在所謂的低熱固相合成反應是指反應溫度在100100o oC C以下的固相合成反應以下的固相合成反應。該方法具有節(jié)能、產(chǎn)率高、不需要溶劑、無污該方法具有節(jié)能、產(chǎn)率高、不需要溶劑、無污染、反應時

2、間短、室溫反應且合成的材料穩(wěn)定染、反應時間短、室溫反應且合成的材料穩(wěn)定性好等優(yōu)點。性好等優(yōu)點。Company Logo二低熱固相合成二低熱固相合成MnO2的意義的意義上世紀上世紀90年代以來年代以來,納米科技向化學電源領域滲透納米科技向化學電源領域滲透,科技工作科技工作者開始研發(fā)納米級者開始研發(fā)納米級2電極材料電極材料,主要包括主要包括2納米粉納米粉體的制備和將其作為堿錳電池正極材料、高能量密度鋰電池體的制備和將其作為堿錳電池正極材料、高能量密度鋰電池正極材料以及超級電容器電極材料的性能研究正極材料以及超級電容器電極材料的性能研究迄今迄今,人們在一維人們在一維2納米電極材料的合成上已作了諸多納

3、米電極材料的合成上已作了諸多研究研究,但是這些方法往往需要多個步驟但是這些方法往往需要多個步驟,操作復雜操作復雜,條件苛刻。條件苛刻。因此因此,尋找一種反應條件溫和、易于操作、一步就能完成一維尋找一種反應條件溫和、易于操作、一步就能完成一維2納米電極材料制備的方法尤為重要納米電極材料制備的方法尤為重要Company Logo目前合成目前合成MnO2常用的的方法有化學法，微乳常用的的方法有化學法，微乳液法，水熱法，溶膠液法，水熱法，溶膠-凝膠法和固相合成法，其凝膠法和固相合成法，其中低熱固相合成法由于其較其他制備方法簡單，中低熱固相合成法由于其較其他制備方法簡單，其最大的一個優(yōu)點是，通過一步化學

4、反應即得其最大的一個優(yōu)點是，通過一步化學反應即得產(chǎn)物，這是其產(chǎn)率大為提高，且反應條件優(yōu)良，產(chǎn)物，這是其產(chǎn)率大為提高，且反應條件優(yōu)良，制作工藝廉價，所以越來越受到人們的關注，制作工藝廉價，所以越來越受到人們的關注，我們組設計用低熱固相合成法制備納米二氧化我們組設計用低熱固相合成法制備納米二氧化錳錳Company Logo傳統(tǒng)中低熱固相反應方法主要包括研磨法、球磨法以及傳統(tǒng)中低熱固相反應方法主要包括研磨法、球磨法以及部分微波反應法。本實驗采用的是研磨法部分微波反應法。本實驗采用的是研磨法,研磨法是利研磨法是利用研缽和研柞產(chǎn)生的機械力作用于反應物而使反應發(fā)生用研缽和研柞產(chǎn)生的機械力作用于反應物而使反

5、應發(fā)生的一種固相反應常見方法。固體粒子在靜力和剪切力的的一種固相反應常見方法。固體粒子在靜力和剪切力的共同作用下破碎共同作用下破碎,顆粒減小顆粒減小,同時摩擦生熱使體系的總自同時摩擦生熱使體系的總自由能增加而使體系活化。本實驗利用低熱的固相氧化還由能增加而使體系活化。本實驗利用低熱的固相氧化還原反應原反應，采用簡單易操作的研磨法。，采用簡單易操作的研磨法。三實驗設計思路三實驗設計思路Company Logo方案一：方案一：將將KMnO4分別分別Mn(OAC)24H20按按2:3摩爾比例于摩爾比例于瑪瑙研缽中混合瑪瑙研缽中混合,充分研磨充分研磨30min后置于后置于80的恒的恒溫水浴中恒溫溫水浴

6、中恒溫10h,經(jīng)經(jīng)300鍛燒熱處理鍛燒熱處理3小時和小時和60、2mol/LH2SO4硫酸溶液中酸處理硫酸溶液中酸處理2h,將產(chǎn)物將產(chǎn)物用離子水洗滌用離子水洗滌,再移至煉烘箱中在再移至煉烘箱中在100下干燥至下干燥至恒重恒重,制得納米制得納米MnO2晶體。晶體。Company Logo方案二：方案二：按摩爾比為按摩爾比為1414分別準確稱取已經(jīng)充分研細的分別準確稱取已經(jīng)充分研細的MnClMnCl2 2332 2O O和和aOaO置于瑪瑙研缽中置于瑪瑙研缽中, ,再加入再加入6 6聚乙二醇聚乙二醇400,400,細細混研細細混研1010左右左右, ,再加入適量已充分研細的再加入適量已充分研細的(

7、 (4 4) )2 22 28 8, ,充分混研。體系吸濕逐漸變?yōu)樯詈稚浞只煅?。體系吸濕逐漸變?yōu)樯詈稚? ,反應進行到顏色變化不再明顯為止。將研磨后的樣品置反應進行到顏色變化不再明顯為止。將研磨后的樣品置于于9090水浴中恒溫數(shù)小時水浴中恒溫數(shù)小時, ,以使反應更加完全。固相產(chǎn)以使反應更加完全。固相產(chǎn)物經(jīng)抽濾洗滌后于物經(jīng)抽濾洗滌后于105105烘干。將烘干的樣品置于烘干。將烘干的樣品置于2 2molmol. .L L-1-1的的2 24 4介質中介質中,90,90酸化處理酸化處理2 2, ,反復抽濾反復抽濾洗滌至濾液呈中性洗滌至濾液呈中性, ,于于105105馬弗爐中馬弗爐中烘干烘干1010

8、左右左右, ,得得產(chǎn)產(chǎn)品。品。Company Logo首先是反應物的選擇：本實驗采用的是低熱固相合成氧化法首先是反應物的選擇：本實驗采用的是低熱固相合成氧化法制備產(chǎn)物，還原劑，我們產(chǎn)考文獻可以選擇制備產(chǎn)物，還原劑，我們產(chǎn)考文獻可以選擇MnCl2.H2O，Mn(OAC)2.4H2O,氧化劑，我們選擇的是氧化劑，我們選擇的是KMnO4,其摩爾比其摩爾比為為3:2溫度：因為反應物都是固相，因此在一定的溫度下有助于加快反溫度：因為反應物都是固相，因此在一定的溫度下有助于加快反應進行，所以研磨反應后，在恒溫水浴數(shù)小時，讓其充分反應，應進行，所以研磨反應后，在恒溫水浴數(shù)小時，讓其充分反應，水浴溫度我們設為

9、水浴溫度我們設為90oC，最后樣品在烘干的時候，在馬弗爐中，最后樣品在烘干的時候，在馬弗爐中，我們設定了四個溫度，我們設定了四個溫度，90oC,95oC,100oC105oC,來驗證溫度對最來驗證溫度對最后納米晶型的影響，因為要得到一維納米二氧化錳，所以溫度不后納米晶型的影響，因為要得到一維納米二氧化錳，所以溫度不要太高，防止其團聚要太高，防止其團聚我們的思路Company Logo本實驗中，我們還用到了方案二中的氫氧化鈉和聚乙二醇本實驗中，我們還用到了方案二中的氫氧化鈉和聚乙二醇400這樣種藥品，查閱文獻我們知道，氫氧化鈉在實驗中做吸水劑，這樣種藥品，查閱文獻我們知道，氫氧化鈉在實驗中做吸水

10、劑，反應中反應中始終保持反應體系中適當過量始終保持反應體系中適當過量, ,固體具固體具有強烈的吸水性有強烈的吸水性, ,使得固相反應實際上在含少量水的氛圍中進行。使得固相反應實際上在含少量水的氛圍中進行。少量水的存在不會使固相產(chǎn)物產(chǎn)生團聚少量水的存在不會使固相產(chǎn)物產(chǎn)生團聚, ,但卻加快了固相反應速但卻加快了固相反應速率。率。Company Logo聚乙二醇聚乙二醇-400在本實驗中起重要的作用在本實驗中起重要的作用。聚乙二醇是一種非離。聚乙二醇是一種非離子子表面活性劑表面活性劑,在無水情況下在無水情況下,其分子為鋸齒形長鏈。這種烴基其分子為鋸齒形長鏈。這種烴基長鏈形成一定的位阻長鏈形成一定的位

11、阻,能夠阻止納米粒子的團聚。同時能夠阻止納米粒子的團聚。同時,在納米在納米材料制備中還起到穩(wěn)定劑和分散劑的作用材料制備中還起到穩(wěn)定劑和分散劑的作用，它不僅可很好地分它不僅可很好地分散生成的固相化學反應的產(chǎn)物使其不能聚集長大散生成的固相化學反應的產(chǎn)物使其不能聚集長大,而且修飾了而且修飾了原來的固相反應界面原來的固相反應界面,并誘導產(chǎn)物粒子沿某一方向定向生長并誘導產(chǎn)物粒子沿某一方向定向生長，有助于形成納米棒。有助于形成納米棒。 Company Logo三、低熱固相合成三、低熱固相合成MnOMnO2 2實驗試劑：實驗試劑：Mn(CHMn(CH3 3COO)COO)2 2. .4H4H2 2O O（分

12、析純）（分析純）,NaOH,NaOH（分析純）（分析純）, ,聚乙二醇聚乙二醇400400，KMnOKMnO（分析（分析純）純）,H,H2 2SOSO4 4實驗儀器：瑪瑙研缽，分析天平實驗儀器：瑪瑙研缽，分析天平,水浴恒溫水浴恒溫箱，減壓抽濾裝置，馬弗爐箱，減壓抽濾裝置，馬弗爐實驗原理實驗原理：2KMnO4+3Mn(CH3COO)24H2O=5MnO2+2CH3COOK十10H2OCompany Logo實驗過程實驗過程按摩爾比為按摩爾比為2:32:3分別準確稱取已經(jīng)充分研細分別準確稱取已經(jīng)充分研細的的Mn(CHMn(CH3 3COO)COO)2 24 42 2O O和和KMnOKMnO4 4

13、置于瑪瑙研缽中置于瑪瑙研缽中, ,在加入在加入適量已充分研細的氫氧化鈉，混研幾分鐘，適量已充分研細的氫氧化鈉，混研幾分鐘，再加入再加入6 6聚乙二醇聚乙二醇400,400,細細混研細細混研1010左右左右, ,反應進行反應進行到顏色變化不再明顯為止。將研磨后的樣品置于到顏色變化不再明顯為止。將研磨后的樣品置于9090水浴中恒溫數(shù)小時水浴中恒溫數(shù)小時, ,以使反應更加完全。固相產(chǎn)以使反應更加完全。固相產(chǎn)物經(jīng)抽濾洗滌后于物經(jīng)抽濾洗滌后于105105烘干。將烘干的樣品置于烘干。將烘干的樣品置于2 2molmol. .L L-1-1的的2 24 4介質中介質中,90,90酸化處理酸化處理2 2, ,反

14、復反復抽濾洗滌至濾液呈中性抽濾洗滌至濾液呈中性, ,將濾液分為四分份別將濾液分為四分份別于于9 900,95,95o oC C，100100o oC C，105105o oC C馬弗爐中馬弗爐中烘干烘干至恒重至恒重, ,得得產(chǎn)產(chǎn)品品Company Logo分析整個實驗過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，該實驗的操作條分析整個實驗過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，該實驗的操作條件是比較溫和的，不存在高低溫的極端反應條件，所件是比較溫和的，不存在高低溫的極端反應條件，所用試劑也都是市場上常見的，也廉價易得，而且反應用試劑也都是市場上常見的，也廉價易得，而且反應一步制得，不會因為反應步驟太繁瑣而最終使產(chǎn)率很一步制得，不會因為反應步驟太繁瑣而最終使產(chǎn)率很低低可行性分析可行性分析Company Logo產(chǎn)品表征：產(chǎn)品表征：納米納米2樣品透射電鏡測試樣品透射電鏡測試:取少許待測樣品取少許待測樣品,放入有蓋放入有蓋的小玻璃瓶中的小玻璃瓶中,加適量無水乙醇后加適量無水乙醇后,置于超聲波清洗器中置于超聲波清洗器中,充充分振蕩分振蕩,分散制成懸浮液后取少量滴于覆有碳膜的電鏡用銅分散制成懸浮液后取少量滴于覆有碳膜的電鏡用銅網(wǎng)上網(wǎng)上,乙醇揮發(fā)后乙醇揮發(fā)后,于日本公司于日本公司-1200透透射電鏡進行照片拍攝射電鏡進行照片拍攝(加速電壓