二氧化锰电极材料开发及应用的进展.docx

二氧化锰电极材料开发及应用的进展卢宇轩;唐长斌;牛浩;薛娟琴【摘要】基于电化学阳极氧化处理有机废水、电容吸附水体中重金属离子及电化学电容储能的作用机理和二氧化锰电极材料特性，分别讨论了二氧化锰作为生物难降解有机物电催化氧化阳极、重金属离子电容吸附电极和超级电容器储能电极材料的优势及存在问题，并展望了未来研究努力的方向. 【期刊名称】《电镀与涂饰》【年(卷)，期】2018(037)023【总页数】8页(P1108-1115)【关键词】二氧化锰;电极;电催化氧化;电吸附;废水处理;超级电容器;综述【作者】卢宇轩;唐长斌;牛浩;薛娟琴【作者单位】西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安710055;西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安710055;西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安710055;西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安710055【正文语种】中文【中图分类】TQ123.4尖锐的能源危机和严重的环境污染成为当下世界普遍公认的两大难题［1］。电化学工程技术日益在有效解决这两大难题中凸显出独特的技术优势，并彰显出巨大的应用发展潜力［2］。适宜的电极材料不仅关系着电极反应能否进行的热力学属性，而且也是显著影响电极反应动力学过程的关键因素，并在一定程度上直接决定了电化学过程的效率和能耗，因此电极材料的开发及应用成为学术界和工程领域关注的焦点和热点问题之一［3］。人造石墨(1897年)及形稳阳极(1968年)的出现与广泛推广是有意识研发和应用高性能电极材料的典范，也开辟出电化学和材料学交叉的新领域，推动着现代电化学工业向前发展。 经过近100多年对各类电极材料的应用和研究，目前已经形成碳电极、金属电极、金属氧化物电极、导电聚合物电极、导电陶瓷(含金属间化合物)电极和复合电极共六大类电极材料体系。其中，锰氧化物电池材料的应用和二氧化锰新型电极材料的开发研究一直是研究者和行业关注的热点，这归因于以下几个方面： 锰元素在地壳中含量较高，其丰度仅次于铁，为0.085%，是地壳中第二大过渡金属元素［4］，而我国锰矿的储量十分丰富，总保有储量为5.66亿t，居世界第3位，其开发与利用具有重要意义。 锰的环境相容性较好，对人体和微生物友好，绿色环保，极具优先成为功能材料原料的潜力。 ⑶二氧化锰以基本结构单元［MnO6］八面体通过公用棱或角顶点形成了数十种不同晶型结构，目前研究较多的为a型、B型、8型、y型和入型［5］。这些不同结构的结晶态二氧化锰具有不同的物理和化学性质，目前已在电催化、电吸附、电化学电容器等方面有较优的表现［6-9］。 (4)锰所具有的特殊d电子结构，使其氧化物具有很好的催化氧化性能。 ⑸二氧化锰可形成层状结构，适宜快速离子嵌脱，因此具有良好的赝电容特性［10］。 (6)二氧化锰与水介质作用易于形成羟基基团，它可与金属离子等发生作用，具有良好的吸附能力［11］，被制成介孔或纳米材料［12］,又或改性后的吸附能力更强［13］。 ⑺可简单地通过还原［14］、电沉积、水热［15］等多种方法来制备。 总而言之，在电催化氧化反应(生成羟基自由基氧化或直接氧化)、析氧过程和电化学电容(主要为赝电容)用电极材料方面，二氧化锰显示出卓越的应用前景和发展潜力。为了进一步推动二氧化锰作为电化学电极材料和超级电容器用能源电极材料的开发研究，本文拟综述二氧化锰(基)材料在电催化氧化、电容吸附去除水中的重金属离子和超级电容器储能方面国内外近10余年的研究成果，以归纳其中存在的问题，并探求应该努力的方向。 MnO2电极材料作为有机污染物电催化氧化阳极的应用随着制药、印染、冶金、化工等工业的快速发展，含高浓度的酚类、抗生素、染料等结构稳定的有机污染物废水大量产生，其半衰期长、成分复杂、毒性大，严重危害着人类的生存环境［15-16］。电化学氧化处理技术(ElectrochemicalOxidationProcesses，EOPs)是采用夕卜加电场形成电化学处理体系，利用其中阳极材料的电催化氧化特性将难生物降解的有机污染物氧化分解的水处理方法，属高级氧化技术之一，具有操作简单、反应条件温和、不引入二次污染等优点而被水处理工程业界广泛关注［17］。由于有机物的电催化氧化反应发生在电极/溶液界面，电极材料的种类与性质将直接影响反应能否进行及其过程和速率，并直接关系着降解效率与效果，因此适宜的电极材料是这一技术应用的关键［18］。二氧化锰作为非定比化合物，Mn元素价态以+4为主，同时存在+3价和+2价。由于Mn(III)与Mn(IV)之间会相互转化以及存在晶格缺陷，因此二氧化锰兼具一定的氧化及电催化活性［19］,理论上具备充当阳极材料的可能，而且它简单易得，在工程实践中切实可行。 电沉积法作为常温常压下便于操作、易于控制的制备工艺，相较于刷涂热解工艺，能很好地避