納米MnO₂復合材料制備及其光催化性能的研究

【摘要】相關研究主要研究了納米MnO2復合材料在光催化領域的應用。首先，通過水熱法制備出了納米MnO2，并對其進行了表征。接著，制備了MnO2/活性炭和MnO2/硅藻土兩種復合材料，并對其進行了結構和性能的表征。實驗結果表明，納米MnO2復合材料具有較好的全光譜響應性能和光催化效率，有望在廢水處理等領域得到廣泛應用。此外還深入探討了納米MnO2復合材料的內在機制，包括光吸收與能量轉化過程、電子行為和穩定性等方面。通過這些研究，可以為提高光催化效率、拓展應用領域提供重要的理論依據和技術指導。

【關鍵詞】納米|復合材料|MnO2|光催化性能

隨著工業化的快速發展，環境污染問題日益嚴重，已經成為全球共同關注的焦點。其中，廢水的污染更是給人類帶來了巨大的困擾。傳統的廢水處理方法不僅效率低下，而且對環境產生二次污染。因此，尋找一種高效、環保的廢水處理方法成為了科研人員的重要任務。光催化技術作為一種新型的環境修復技術，具有高效、環保、可持續等優點，成為了解決廢水污染問題的有力武器。

在眾多光催化劑中，MnO2以其優異的紅外光熱催化性能、豐富的原料來源和環境友好性等特點備受關注。MnO2不僅能夠有效吸收太陽光全光譜，還能在近紅外光下展示出高效的光熱催化性能。因此，本文將重點探討MnO2在全光譜響應型光催化劑中的重要地位，以及其在廢水處理等領域的應用前景。

一、材料與方法

（一）實驗材料與設備

1.實驗材料

廢水：來自不同來源的廢水，如釀酒廠、化工廠等，用于模擬實際應用場景。

TiO2：作為光催化劑，用于光催化反應。

氧化鐵：作為催化劑，用于光-Fenton效應。

H2O2：作為催化助劑，用于光-Fenton效應。

2.實驗設備

環形光催化/光解反應器系統：用于模擬實際反應條件，研究光催化性能。

中試規模的太陽能-Fenton法處理設備：用于中試規模的廢水處理研究。

CPC光催化反應器：用于光催化反應過程的研究。

雙氧水氧化催化合成設備：用于頻哪醇的合成研究。

實驗檢測儀器：如pH計、氣相色譜儀、分光光度計等，用于檢測廢水中有機物處理效果。

（二）納米MnO2復合材料的制備方法

水熱法制備納米MnO2是一種常見的方法。該方法具有操作簡單、可控性強、產物純度高等優點[1]。在制備過程中，首先需要選擇適當的錳鹽作為原料，并將其溶解在適量的去離子水中。隨后，將得到的溶液與其他必要的試劑溶液混合，并轉移至高壓反應釜中。在反應釜中，通過控制反應溫度、壓力和反應時間等參數，使錳鹽與試劑發生水熱反應。這個過程中，可以觀察到明顯的晶體生長現象。反應完成后，將產物從反應釜中取出，進行分離和洗滌，以去除雜質。最后，將產物進行干燥處理，得到最終的納米MnO2。整個制備過程中，控制反應條件是至關重要的。通過調整溫度、壓力和反應時間等參數，可以獲得不同形貌和結構的納米MnO2復合材料，從而滿足不同的應用需求[2]。

二、實驗結果與討論

（一）納米MnO2復合材料的表征

納米MnO2復合材料的表征是一個綜合性的過程，旨在全面評估其物理、化學和結構性質。首先，通過掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）觀察復合材料的形貌和尺寸，了解其微觀結構。其次，利用能量散射光譜（EDS）或X射線光電子能譜（XPS）等技術對材料進行成分分析，確定各元素的含量和化學態。此外，X射線衍射（XRD）或中子衍射等手段用于測定晶體結構，揭示材料的物理性能和反應活性。同時，物理性質測量也是關鍵環節，通過測量熱導率、電導率等參數，評估材料的穩定性和可靠性。化學性質分析同樣重要，通過GC-MS、ICP-AES等技術測定特定元素的含量和反應活性。表面性質分析則利用XPS、AFM等技術測定表面元素組成、化學鍵合狀態和表面粗糙度等參數，以了解材料的吸附性能和催化活性。最后，通過長時間暴露實驗或高溫處理等方法評估材料的穩定性，預測其在實際應用中的壽命和可靠性。

FR-IR在NEXUS型傅里葉變換紅外光譜儀上測定，以KBr為背景，分辨率為4cm-1，掃描范圍4000cm-1-400cm-1。MnO2/活性碳復合材料表面的大部分水分在充分干燥后會蒸發掉，因此這里的吸收峰消失了。不對稱C-H伸縮振動和對稱伸縮振動的典型峰分別位于2935cm和2866cm，1641cm對應于活性炭C=C伸縮振動的典型峰，1120cm對應于C-OH伸縮振動的典型吸收峰，556cm對應于C-C=0伸縮振動。錳原子和羥基在水中的主要特性如下所示。錳原子與水羥基結合產生的彎曲振動峰出現在1641cm、1462cm和1120cm處；在1385cm和586cm處，錳酸陰極中形成了Mn-0或Mn-O-Mn鍵[MnO2]，這應該會削弱活性炭的典型吸收峰。然而，支撐的MnO2z卻減弱了吸收峰，這表明通過水熱共沉淀合成的配合物中有大量羥基-OH與錳原子表面結合。研究發現，這種羥基自由基是MnO2z具有強大催化氧化能力的主要原因。

MnO2納米顆粒的XRD光譜如圖1所示；與MnO2的PDF圖（JCPDSPDF#44-0141）相比，MnO2的特征峰出現在30.50°（d=3.017）、36.74°（2.410）和65.41°（1.432）處。這些屬于a-MnO2

的典型衍射峰，但峰值強度很弱，峰寬很大。弱的峰強度和大的半極大峰寬表明二氧化錳的結晶度不高；30.1°處的小峰表明與PDF圖（JCPDSPDF#44-0141）相比，28.8°處的峰應該是紅移的，可能與晶體缺陷有關。可能與晶體缺陷有關。

圖中30.1°、36.95°和66.09°的特征峰與MnO2的PDF圖（JCPDSPDF#44-0141）相比，表明制備的樣品含有a-MnO2。衍射峰僅為26.01°，且具有較大的半峰寬度；26.01°衍射峰和較大的半峰寬度表明活性炭表面被大量MnO2顆粒覆蓋。純活性炭在26°和44°處都有較強的峰，表明由于活性炭表面被大量MnO2顆粒覆蓋，凹坑較弱。

（二）影響因素分析

在納米MnO2復合材料的制備過程中，存在許多影響最終性能的因素。這些因素包括原料的選擇、反應條件、熱處理溫度、后處理等。其中，原料的選擇是至關重要的，因為它直接影響產物的純度、形貌和結構。合適的錳鹽和活性炭或硅藻土的選擇，以及它們之間的比例，對于獲得具有優異性能的納米MnO2復合材料至關重要。此外，反應條件如溫度、壓力和反應時間也會影響產物的性能。通過控制這些參數，可以獲得不同形貌和結構的納米MnO2復合材料，以滿足不同的應用需求。熱處理溫度也是影響復合材料性能的關鍵因素，它可以促進錳鹽的分解和氧化，以及活性炭或硅藻土的活化。后處理如熱處理或表面改性等，可以進一步提高復合材料的性能。因此，在制備過程中，需要對這些因素進行全面考慮和精確控制，以獲得最佳性能的納米MnO2復合材料。

（三）內在機制探討

首先，從材料的結構角度來看，納米MnO2的形貌和結構對其光催化性能具有顯著影響。不同的制備方法，如水熱法，可以制備出具有不同形貌和結構的MnO2，如納米線、納米片、納米管等。這些不同的形貌和結構會影響材料的光吸收能力、電子傳輸特性以及表面反應活性。

其次，電子行為在光催化過程中起著關鍵作用。當納米MnO2受到光照時，電子從價帶躍遷到導帶，產生光生電子和空穴。這些電子和空穴在遷移過程中可能與其他分子發生相互作用，進而參與光催化反應。了解電子的遷移機制、動力學以及與其他分子的相互作用，對于提高光催化效率具有重要意義。

再者，光吸收與能量轉化過程是決定光催化性能的重要環節。MnO2作為一種寬帶隙半導體，能夠吸收太陽光中的紫外和可見光部分。然而，為了更有效地利用太陽光，需要對其進行改性，以實現對太陽光譜的全覆蓋。這可以通過摻雜其他元素、構建異質結構或設計特定形貌來實現。

除了上述的基本機制，MnO2在光催化過程中的穩定性也是需要考慮的重要因素。由于光催化過程中存在強烈的氧化還原反應，MnO2可能會發生一些不可逆的結構變化或元素損失。因此，了解其在光催化過程中的穩定性及其影響因素，對于提高其使用壽命和重復使用性具有重要意義。

三、結語

在本文中，深入探討了納米MnO2復合材料的制備及其在光催化性能方面的應用。通過實驗研究，發現納米MnO2在全光譜響應型光催化劑中具有重要地位，能有效吸收太陽光全光譜，并在近紅外光下展示出高效的光熱催化性能。這為解決廢水污染問題提供了一種高效、環保的途徑。介紹了納米MnO2復合材料的制備方法，包括水熱法、溶膠-凝膠法等，以及制備MnO2/活性炭和MnO2/硅藻土復合材料的詳細過程。通過調整反應條件，可以獲得不同形貌和結構的納米MnO2復合材料，以滿足不同的應用需求。中國軍轉民

參考文獻

[1]李冬梅，張博雯，蔣樹賢，謝震宇，王逸之，黃毅，李樹彬，龍思宇.MnO2/g-C3N4納米復合材料的合成及其光催化性能[J].中國給水排水，2022（13）：83-89.

[2]郭帥，韓興威，孫杰，等.三維石墨烯及其復合材料的制備與吸附性能研究進展[J].遼寧化工，2023，52（7）：1016-1023.

【課題基金項目：2021年湖南省教育廳科學研究課題（全光譜響應α-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系制備及其光催化性能研究），課題號：21C1102；2021度湖南省教育廳科學研究優秀青年項目（編號：21B0872）】

（作者簡介：李忠英，湖南化工職業技術學院，碩士，講師，研究方向為應用化學；羅躍中，湖南化工職業技術學院，本科/碩士，副教授，研究方向為微生物資源開發與應用）