سنتز اکسید های منگنز به روش احتراق در محلول

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 7، دوره 33، شماره 2 - شماره پیاپی 26، شهریور 1401، صفحه 93-110   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2022.74924.1038

نویسندگان

مهسا محمدی مقدم¹؛ مصطفی میرجلیلی^{* 2}؛ جلیل وحدتی خاکی³؛ سحر ملازاده¹

¹گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی

²گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد.

³گروه مهندسی متالورژی و مواد ،دانشکده مهندسی ،دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

در طول سالیان متمادی، اکسیدهای منگنز (MnO2,Mn2O3,Mn3O4,MnO) به‌طور قابل‌توجهی، علاقه‌ی محققان زیادی را به خاطر خواص فیزیکی-شیمیایی و کاربردهای بالقوه‌ای که دارند، جذب کرده‌اند. در میان اکسیدهای منگنز، دی‌اکسید منگنز در چندین حالت بلوری مختلف (α, β, γ, δ, λ) وجود دارد که ساختار بلوری به مقدار زیادی، خواص کاربردی MnO2 شامل خواص مغناطیسی، شناسایی‌های الکتروشیمیایی، جذب مولکولی و خواص را تعیین می‌کند. تاکنون، روش‌های متفاوتی جهت سنتز این مواد استفاده‌شده است. در تحقیق حاضر، روش تک‌مرحله‌ای سنتز احتراقی در محلول به‌منظور سنتز اکسید های مختلف منگنز و به ویژه MnO2 پیشنهادشده است. هدف از تحقیق، بررسی تأثیر نوع سوخت، مقدار φ، دمای آدیاباتیک و مقدار افزودنی‌ها بر پایداری ساختار اکسیدهای منگنز، است. سپس آنالیز پراش پرتوایکس (XRD) و آنالیز ریزساختاری FE-SEM از ذرات سنتز شده، گرفته شدند. تحقیقات انجام‌شده بیانگر این است که شرایط بهینه برای سنتز استفاده از سوخت اوره و 1˂ φ است. همچنین به‌منظور بررسی تأثیر عملیات حرارتی بر بلورینگی ذرات سنتز شده در شرایط مختلف، عملیات حرارتی انجام شد که منجر به افزایش بلورینگی نمونه‌ها می‌شود. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که سنتز اکسید های مختلف منگنز به ویژه MnO2 بصورت خالص، با چالش‌هایی روبرو است، که خوشبختانه در تحقیق حاضر به‌صورت تک‌مرحله‌ای و با کمک سنتز احتراقی در محلول، با موفقیت انجام شد.

کلیدواژه‌ها

اکسید های منگنز؛ سنتز احتراقی در محلول؛ اوره؛ گلایسین؛ عملیات حرارتی

مراجع

1. Gleiter, H. "Nanostructured Materials: Basic Concepts and Microstructure" Acta materialia. Vol. 48, pp. 1-29, (2000).
2. Hellmig RJ, Ferkel H. "Using Nanoscaled Powder as an Additive in Coarse-Grained Powder". Journal of American Ceramic Society. 84, No. 2, pp. 261-66 (2006).
3. Keane M.A. "Chemical and Bio-Ceramics for Catalysis" Journal of Materials Science. 38, pp. 4661 – 4675, (2003)
4. Peña, M. A., & Fierro, J. L. G. "Chemical structures and performance of perovskite oxides". Chemical Reviews. Vol. 101, No. 7, pp. 1981–2017, (2001).
5. Patil, S. & Dasari, H. P. "Effect of fuel and solvent on soot oxidation activity of ceria nanoparticles synthesized by solution combustion method". Materials Science for Energy Technologies. Vol. 2, pp. 485–489 (2019).
6. Lee, J. "Manganese oxides with hierarchical structures derived from coordination polymers and their enhanced catalytic activity at low temperature for selective catalytic reduction of NOx". Dalton Trans. Vol. 48, 16395–16401, (2019).
7. Zhu, S., Ho, S. H., Jin, C., Duan, X. & Wang, S. "Nanostructured manganese oxides: Natural/artificial   formation and their induced catalysis for wastewater remediation". Environmental Science: Nano. Vol. 7, pp. 368–396 (2020).
8. Muya, R. K., Achola, L., Njagi, E. C., Ombaka, O., & Suib, S. L. "Synthesis, Characterization and Applications of Ttansition Metal-Doped Manganese Oxide Catalysts". Journal of Life Science Informatics Publications. Vol. 5, No. 2, pp. 16-30, (2019).
9. Muraoka, Atou T. "Preparation of α-MnO2 with an Open Tunnel". J Solid State Chem. Vol. 144, pp. 136-142, (1999).
10. Poyraz, A. S., Huang, J., Pelliccione, C. J., Tong, X., Cheng, S., Wu, L., Zhu, Y., Marschilok, A. C., Takeuchi, K. J., & Takeuchi, E. S. ,"Synthesis of cryptomelane type α-MnO2 (K:XMn₈O₁₆) cathode materials with tunable K⁺ content: The role of tunnel cation concentration on electrochemistry". Journal of Materials Chemistry A, Vol. 5, No. 32, pp. 16914–16928, (2017).
11. Rosa, R., Veronesi, P. & Leonelli, C. "A review on combustion synthesis intensification by means of microwave energy". Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. Vol. 71, pp. 2–18, (2013).
12. Mukasyan, A. S. & Dinka, P. "Novel approaches to solution-combustion synthesis of nanomaterials". International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. Vol. 16, pp. 23–35, (2007).
13. Varma, A., Mukasyan, A. S., Deshpande, K. T., Pranda, P. & Erri, P. R. "Solution Combustion Synthesis of Nanoscale Materials". Reviews. Vol. 116, No. 23, pp. 14493−14586, (2016).
14. Lan, B., Zheng, X., Cheng, G., Han, J., Li, W., & Sun, M. "The art of balance: Engineering of structure defects and electrical conductivity of a -MnO 2 for oxygen reduction reaction". Electrochimica Acta, Vol. 283, pp. 459–466, (2018).
15. Tompsett, D. A. & Islam, M. S. "Electrochemistry of Hollandite α ‑ MnO₂: Li-Ion and Na-Ion Insertion and Li₂O Incorporation". Chemistry Of Materials, Vol. 25, No. 12, pp. 2515-2526, (2013).
16. Zaki, M. I., Hasan, M. A., Pasupulety, L. & Kumari, K. "Thermochemistry of manganese oxides in reactive gas atmospheres: Probing catalytic MnOx compositions in the atmosphere of CO+O2". Thermochimica Acta, Vol. 311, pp. 97–103 (1998).
17. Li, W. N., Yuan, J., Gomez-Mower, S., Sithambaram, S. & Suib, S. L. "Synthesis of single crystal manganese oxide octahedral molecular sieve (OMS) nanostructures with tunable tunnels and shapes". Journal of Physical Chemistry B, Vol. 110, No. 7, pp. 3066–3070 (2006).
18. Jacob, K. T., Kumar, A., Rajitha, G. & Waseda, Y. "Thermodynamic data for Mn₃O₄, Mn₂O₃ and MnO₂". High Temperature Materials and Processes, Vol. 30, pp. 459–472 (2011).
19. Pistoia, G. "Some Restatements on the Nature and Behavior of MnO2 for Li Batteries". Journal of The Electrochemical Society, 129, No. 9, pp. 1861–1865 (1982).