一种用于合成(FeO)x(MnO)y体系中四种化合物的通用方法及其锂储存性能研究

《Inorganic Chemistry Communications》：A universal method for synthesizing four compounds in the (FeO) x(MnO) y system and their lithium storage performance study

本研究以铁锰氧化物为体系，通过水热反应-热分解两步法可控合成四种不同比例的(FeO)?(MnO)?/C纳米材料，并实现了碳复合。材料经XRD、SEM、EDS表征，锂离子存储性能系统评估，高温下获得铁-MnO-C复合物。

　　

邓虎伟|曲丽雪

山东省聊城市聊城大学材料科学与工程学院，邮编252059，中国

摘要

新型材料或已知材料的纳米结构版本的开发为能源、环境和健康等领域的全球性挑战提供了新的解决方案。本研究重点关注铁锰氧化物体系中几种鲜有报道的化合物，其化学组成为氧化亚铁和锰酸盐[(FeO)_x(MnO)_y]，并提出了一种通用的合成策略，用于制备该系列中的四种类型的纳米颗粒，并同时实现它们与非晶碳[(FeO)_x(MnO)_y/C]的结合。值得注意的是，当反应温度升高时，可以获得由元素铁、锰酸盐和碳组成的复合材料。对所有四种类型(FeO)_x(MnO)_y/C材料的锂存储性能进行了系统研究。

引言

作为锰氧化物家族的一员，纳米结构的氧化亚锰(MnO)最近受到了广泛关注。这种材料已应用于多个领域，包括锂电池阳极[1]、水系锌离子电池材料[2]、[3]、[4]、[5]、锌空气电池材料[6]、[7]、光催化[8]、[9]、电催化[10]和超级电容器[11]。例如，Tong等人在氮气氛围下以多巴胺为碳源，在800℃下合成了碳-氧化亚锰纳米球。当用作水系锌存储的电极材料时，在0.1 A g^?1的电流密度下经过100次循环后，其比容量仍为295 mAh g^?1 [3]。在另一项研究中，Tang等人通过调节MnO催化剂中的氧空位浓度显著提高了过氧化氢的产率[10]。最近，另一种氧化物——氧化亚铁(FeO)也被报道可用于催化[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。

然而，三元铁锰氧化物（如(FeO)_0.497(MnO)_0.503、(FeO)_0.331(MnO)_0.669、(FeO)_0.664(MnO)_0.336和(FeO)_0.198(MnO)_0.802）的研究较少。该体系的晶胞与MnO相似，采用面心立方晶格，空间群符号为F3-3m。设计和合成新型材料或已知材料的纳米结构形式可能为能源、环境和健康等领域的人类挑战提供新的解决方案。因此，研究人员继续致力于这类材料的合成与设计，以期发掘其潜在应用。

对于(FeO)_{?(MnO)y化合物体系，本文报道了一种通用且易于控制的合成方法，成功制备了上述四种三元氧化物。我们不仅实现了它们的纳米结构化，还实现了与碳的复合。所有四种氧化物都经过了锂存储性能测试。希望它们也能在其他领域展示出潜在的应用价值。}

部分内容

Fe₁Mn₁T_y前驱体的合成

将55 mL去离子水和一根磁力搅拌棒加入一个100 mL的特氟龙内衬不锈钢高压釜中。在持续磁力搅拌下，依次加入以下试剂：4.142 g（18 mmol）酒石酸钠脱水物(C₄H₄Na₂O₆·2H₂O)、0.5 g酒石酸(C₄H₆O₆)、1.622 g（6 mmol）六水合三氯化铁(FeCl₃·6H₂O)和1.188 g（6 mmol）四水合二氯化锰(MnCl₂·4H₂O)。加入完成后，混合物进行搅拌

结果与讨论

图1展示了合成过程的示意图。首先，通过水热反应生成前驱体[manganese iron tartrate, MnFeT_y]。然后在前驱体在氮气氛围下的管式炉中热分解，得到目标产物(FeO)_x(MnO)_y/C。该前驱体同时提供了铁、锰、氧和碳的来源。在水热反应过程中，酒石酸根离子作为螯合剂，促进沉淀

结论

本研究通过两步反应成功合成了四种碳复合的(FeO)_x(MnO)_y纳米材料。使用XRD、SEM和EDS等技术系统地表征了所得产品的相态、形貌和组成。评估了所有四种材料的锂存储性能。值得注意的是，通过提高反应温度，可以获得由金属铁、MnO和碳组成的复合材料，其中铁的含量为

CRediT作者贡献声明

邓虎伟：撰写——原始草稿，监督，软件使用，资源提供，项目管理，研究开展，资金获取，数据分析，概念构思。曲丽雪：验证，方法设计，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2017QB017）的支持。我们感谢曾素远博士在TEM测量方面的帮助；孙远伟博士在HRTEM表征方面的协助；赵丽敏博士在XPS测试方面的支持；高英伟先生在BET测量方面的帮助；以及李海波教授和王志强先生在ICP测量方面的支持。

邓虎伟博士：

2014年获得中国科学技术大学（USTC）化学博士学位，随后加入聊城大学材料科学与工程学院。目前在该学院新能源材料与器件系担任副教授。主要研究领域包括：纳米材料的制备和电化学储能。