尖晶石型ZnMn?O?的制備、衍生及光催化與電化學(xué)性能的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今社會(huì)，能源短缺與環(huán)境污染已成為全球面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度消耗導(dǎo)致其儲(chǔ)量日益減少，能源危機(jī)迫在眉睫。與此同時(shí)，大量的污染物排放，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）、重金屬離子以及各類有機(jī)廢水等，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了極大的威脅。尋找高效、可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)以及環(huán)境凈化方法，已成為科學(xué)界和工業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。光催化技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的技術(shù)，利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，能夠在溫和條件下將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的降解和能源的合成。例如，在光催化降解有機(jī)污染物方面，光催化劑能夠吸收光子能量，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，這些載流子可以與吸附在催化劑表面的氧氣和水等反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化性的活性物種，如羥基自由基（?OH）和超氧自由基（?O??），從而將有機(jī)污染物氧化分解為無(wú)害的二氧化碳和水。在光催化制氫領(lǐng)域，通過(guò)光催化劑的作用，能夠?qū)⑺纸鉃闅錃夂脱鯕?，氫氣作為一種清潔、高效的能源載體，具有廣闊的應(yīng)用前景。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，如電池和超級(jí)電容器，在現(xiàn)代能源體系中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電池能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為各種電子設(shè)備和電動(dòng)汽車提供動(dòng)力；超級(jí)電容器則具有快速充放電、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，可用于瞬間高功率輸出的場(chǎng)合。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及智能電網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)高性能電化學(xué)儲(chǔ)能器件的需求急劇增加，這就要求開發(fā)具有更高能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性的電極材料。尖晶石型ZnMn?O?作為一種重要的功能材料，在能源與環(huán)境領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在晶體結(jié)構(gòu)上，尖晶石型ZnMn?O?具有立方晶系結(jié)構(gòu)，氧離子形成面心立方密堆積，鋅離子占據(jù)四面體空隙，錳離子占據(jù)八面體空隙。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了它一系列優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。在光催化方面，ZnMn?O?的能帶結(jié)構(gòu)使其能夠吸收特定波長(zhǎng)的光，產(chǎn)生光生載流子，進(jìn)而參與光催化反應(yīng)。研究表明，通過(guò)調(diào)控其晶體結(jié)構(gòu)、形貌和表面性質(zhì)，可以有效地提高光生載流子的分離效率和遷移速率，從而增強(qiáng)其光催化活性。例如，通過(guò)制備納米結(jié)構(gòu)的ZnMn?O?，增大其比表面積，增加光催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，能夠顯著提高對(duì)有機(jī)污染物的降解效率。在電化學(xué)領(lǐng)域，ZnMn?O?作為電池電極材料，具有較高的理論比容量。在水系鋅離子電池中，它可以與鋅離子發(fā)生可逆的嵌入和脫嵌反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。其在超級(jí)電容器中也表現(xiàn)出良好的電容性能，能夠提供較高的功率密度和穩(wěn)定的循環(huán)性能。然而，目前尖晶石型ZnMn?O?在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。在光催化性能方面，光生載流子的復(fù)合率較高，導(dǎo)致光催化效率有待進(jìn)一步提高；在電化學(xué)性能方面，充放電過(guò)程中的容量衰減和倍率性能不佳等問(wèn)題限制了其廣泛應(yīng)用。因此，深入研究尖晶石型ZnMn?O?的制備方法及其衍生物的光催化和電化學(xué)性能，對(duì)于解決能源和環(huán)境問(wèn)題具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，可以改善其性能，為開發(fā)高性能的光催化材料和電化學(xué)儲(chǔ)能器件提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，推動(dòng)能源與環(huán)境領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。1.2研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)1.2.1ZnMn?O?制備方法研究現(xiàn)狀尖晶石型ZnMn?O?的制備方法豐富多樣，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與適用場(chǎng)景。溶膠-凝膠法憑借其化學(xué)均勻性高的特點(diǎn)，在制備過(guò)程中能使各組分在分子層面充分混合，為合成高質(zhì)量的ZnMn?O?提供了有力保障。通過(guò)精確控制溶膠的形成與凝膠化過(guò)程，可以有效調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其性能。沉淀法操作相對(duì)簡(jiǎn)便，成本較低，適合大規(guī)模制備。在沉淀過(guò)程中，通過(guò)控制沉淀劑的加入速度、濃度以及反應(yīng)溫度等條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物粒徑和形貌的初步控制，得到的產(chǎn)物具有一定的結(jié)晶度，能滿足一些對(duì)材料性能要求不是特別苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景。水熱法在高溫高壓的水環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)，為晶體的生長(zhǎng)提供了特殊的環(huán)境。這種方法能夠制備出結(jié)晶度高、形貌可控的ZnMn?O?，例如可以制備出納米結(jié)構(gòu)的ZnMn?O?，增大其比表面積，為后續(xù)的性能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。固相反應(yīng)法是將固態(tài)的鋅源和錳源直接混合后進(jìn)行高溫反應(yīng)，該方法工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，但由于反應(yīng)過(guò)程中顆粒之間的接觸和擴(kuò)散有限，所得產(chǎn)物的粒度分布較寬，均勻性較差。近年來(lái)，研究人員致力于對(duì)傳統(tǒng)制備方法進(jìn)行改進(jìn)，以進(jìn)一步提升ZnMn?O?的性能。例如，在溶膠-凝膠法中引入模板劑，通過(guò)模板劑的導(dǎo)向作用，可以制備出具有特定孔結(jié)構(gòu)的ZnMn?O?，增大材料的比表面積，提高其與反應(yīng)物的接觸面積，從而增強(qiáng)光催化和電化學(xué)性能。在沉淀法中，采用超聲輔助沉淀技術(shù)，利用超聲波的空化效應(yīng)和機(jī)械振動(dòng)作用，促進(jìn)沉淀顆粒的形成與分散，使得到的產(chǎn)物粒徑更加均勻，性能更加穩(wěn)定。1.2.2ZnMn?O?光催化性能研究現(xiàn)狀在光催化領(lǐng)域，ZnMn?O?的研究主要聚焦于光生載流子的分離與遷移以及對(duì)不同污染物的降解效果。為了提高光生載流子的分離效率，研究人員采取了多種策略。通過(guò)與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，如與TiO?復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，利用兩種半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的差異，促進(jìn)光生電子-空穴對(duì)的分離，使電子和空穴能夠分別遷移到不同的半導(dǎo)體表面，減少?gòu)?fù)合幾率，從而提高光催化活性。對(duì)ZnMn?O?進(jìn)行元素?fù)诫s也是一種有效的手段，如摻雜Cu、Fe等金屬離子，通過(guò)改變材料的電子結(jié)構(gòu)，引入雜質(zhì)能級(jí)，降低光生載流子的復(fù)合速率，增強(qiáng)光催化性能。在降解有機(jī)污染物方面，ZnMn?O?對(duì)多種有機(jī)污染物表現(xiàn)出了一定的降解能力。研究發(fā)現(xiàn)，在可見光照射下，ZnMn?O?可以有效地降解亞甲基藍(lán)、羅丹明B等有機(jī)染料，將其分解為無(wú)害的小分子物質(zhì)。對(duì)于一些難降解的有機(jī)污染物，如持久性有機(jī)污染物，通過(guò)優(yōu)化ZnMn?O?的制備工藝和光催化反應(yīng)條件，也能實(shí)現(xiàn)一定程度的降解。1.2.3ZnMn?O?電化學(xué)性能研究現(xiàn)狀在電化學(xué)領(lǐng)域，ZnMn?O?作為電池電極材料和超級(jí)電容器電極材料的研究取得了一定進(jìn)展。在電池應(yīng)用中，以ZnMn?O?為陰極材料的水系鋅離子電池具有較高的理論比容量，但在實(shí)際充放電過(guò)程中，存在容量衰減較快的問(wèn)題。研究表明，容量衰減主要是由于錳的溶解、結(jié)構(gòu)的變化以及電極與電解液之間的副反應(yīng)等因素導(dǎo)致。為了解決這些問(wèn)題，研究人員采用了表面包覆、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法。例如，通過(guò)在ZnMn?O?表面包覆一層導(dǎo)電聚合物，如聚吡咯，不僅可以抑制錳的溶解，還能提高電極的導(dǎo)電性，改善電池的循環(huán)性能。在超級(jí)電容器應(yīng)用中，ZnMn?O?的電容性能受到其結(jié)構(gòu)和形貌的影響較大。制備具有高比表面積和良好導(dǎo)電性的ZnMn?O?電極材料，如納米多孔結(jié)構(gòu)的ZnMn?O?，可以提高其電容性能。通過(guò)與碳材料復(fù)合，如與石墨烯復(fù)合，利用石墨烯的高導(dǎo)電性和大比表面積，協(xié)同提高超級(jí)電容器的功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性。1.2.4面臨的挑戰(zhàn)盡管在ZnMn?O?的制備及其光催化和電化學(xué)性能研究方面取得了一定成果，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在制備方法方面，雖然各種方法都能制備出ZnMn?O?，但如何實(shí)現(xiàn)制備過(guò)程的精確控制，以獲得具有特定結(jié)構(gòu)和性能的材料，仍然是一個(gè)難題。例如，如何精確控制材料的粒徑、形貌和晶體結(jié)構(gòu)，使其在光催化和電化學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮最佳性能，還需要進(jìn)一步深入研究。此外，現(xiàn)有制備方法的成本和效率問(wèn)題也有待解決，一些制備方法需要使用昂貴的原料或復(fù)雜的設(shè)備，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在光催化性能方面，光生載流子的復(fù)合問(wèn)題仍然是制約ZnMn?O?光催化效率的關(guān)鍵因素。盡管采取了多種策略來(lái)提高光生載流子的分離效率，但目前的分離效果仍不理想，導(dǎo)致光催化活性難以進(jìn)一步提升。此外，ZnMn?O?對(duì)太陽(yáng)光的利用效率較低，只能吸收特定波長(zhǎng)范圍的光，限制了其在實(shí)際光催化應(yīng)用中的效果。在電化學(xué)性能方面，ZnMn?O?作為電池電極材料時(shí)的容量衰減和倍率性能不佳問(wèn)題尚未得到根本解決，這限制了其在高性能電池中的應(yīng)用。作為超級(jí)電容器電極材料，雖然在電容性能方面取得了一定進(jìn)展，但與商業(yè)化的超級(jí)電容器電極材料相比，仍存在能量密度較低等問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化性能。1.3研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入探究尖晶石型ZnMn?O?的制備方法，優(yōu)化其衍生物的光催化和電化學(xué)性能，并揭示相關(guān)作用機(jī)理，具體研究目標(biāo)如下：開發(fā)新型制備方法：致力于開發(fā)一種溫和、高效且環(huán)境友好的制備方法，精確調(diào)控ZnMn?O?及其衍生物的微觀結(jié)構(gòu)，包括粒徑、形貌、晶體結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)等。例如，期望通過(guò)改進(jìn)的溶膠-凝膠法，引入特定的模板劑和添加劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的精確控制，制備出具有高比表面積和良好結(jié)晶度的ZnMn?O?，為后續(xù)性能提升奠定基礎(chǔ)。顯著提升光催化和電化學(xué)性能：通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和復(fù)合改性等手段，大幅提高ZnMn?O?衍生物的光催化活性和電化學(xué)性能。在光催化方面，將光生載流子的復(fù)合率降低50%以上，使光催化降解有機(jī)污染物的效率在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高30%；在電化學(xué)性能方面，使水系鋅離子電池的容量保持率在100次循環(huán)后達(dá)到80%以上，超級(jí)電容器的能量密度提高20%以上。深入揭示作用機(jī)理：借助先進(jìn)的表征技術(shù)和理論計(jì)算，深入研究ZnMn?O?及其衍生物在光催化和電化學(xué)過(guò)程中的作用機(jī)理。明確光生載流子的產(chǎn)生、分離、遷移和復(fù)合機(jī)制，以及電極材料在充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變和電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，為材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：制備方法創(chuàng)新：首次將微波輔助水熱法與模板導(dǎo)向技術(shù)相結(jié)合，用于制備ZnMn?O?。微波的快速加熱作用能夠縮短反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)效率，而模板導(dǎo)向技術(shù)則可以精確控制材料的孔結(jié)構(gòu)和形貌，這種創(chuàng)新的制備方法有望突破傳統(tǒng)制備方法的局限性，為制備高性能的ZnMn?O?材料開辟新途徑。復(fù)合改性策略創(chuàng)新：提出一種基于原子層沉積（ALD）技術(shù)的表面修飾與異質(zhì)結(jié)構(gòu)建相結(jié)合的復(fù)合改性策略。通過(guò)ALD技術(shù)在ZnMn?O?表面精確沉積一層超薄的金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔铮粌H可以改善材料的表面性質(zhì)，還能與ZnMn?O?形成高效的異質(zhì)結(jié)，增強(qiáng)光生載流子的分離效率和遷移速率，這種復(fù)合改性策略在提升材料性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有望為材料改性研究提供新的思路。機(jī)理研究視角創(chuàng)新：從電子結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的微觀角度出發(fā)，結(jié)合原位表征技術(shù)和第一性原理計(jì)算，深入研究ZnMn?O?及其衍生物的光催化和電化學(xué)性能。通過(guò)原位表征技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光催化和電化學(xué)過(guò)程中材料的結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)變化，利用第一性原理計(jì)算從理論上揭示電子結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，這種多維度的研究視角能夠更深入、全面地理解材料的性能機(jī)制，為材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。二、尖晶石型ZnMn?O?的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)基礎(chǔ)2.1尖晶石型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)尖晶石型結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，其結(jié)構(gòu)通式為AB?O?，其中A通常為二價(jià)陽(yáng)離子，如Mg2?、Fe2?、Co2?、Ni2?、Mn2?、Zn2?、Cd2?等；B為三價(jià)陽(yáng)離子，像Al3?、Fe3?、Co3?、Cr3?、Ga3?等。在這種結(jié)構(gòu)中，氧離子（O2?）按立方緊密堆積方式排列，形成面心立方密堆積結(jié)構(gòu)，這種堆積方式為陽(yáng)離子的填充提供了特定的空間。二價(jià)陽(yáng)離子A充填于八分之一的四面體空隙中，三價(jià)陽(yáng)離子B充填于二分之一的八面體空隙中。這種陽(yáng)離子的填充方式并非偶然，它與陽(yáng)離子的半徑、電荷以及晶體場(chǎng)穩(wěn)定化能等因素密切相關(guān)。較小半徑的二價(jià)陽(yáng)離子更傾向于占據(jù)四面體空隙，因?yàn)樗拿骟w空隙相對(duì)較小，能夠更好地容納二價(jià)陽(yáng)離子，從而使晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；而半徑稍大的三價(jià)陽(yáng)離子則適合填充在八面體空隙中，八面體空隙的空間較大，可以滿足三價(jià)陽(yáng)離子的空間需求。以典型的鎂鋁尖晶石（MgAl?O?）為例，其晶胞可以劃分成8個(gè)小的立方單位，分別由4個(gè)A型和4個(gè)B型小單位拼在一起。每個(gè)A型、B型小單位都有4個(gè)O2?離子，因此晶胞中O2?的個(gè)數(shù)是8×4=32個(gè)。Mg2?處于A型小單位的中心及一半的頂點(diǎn)及B型小單位一半的頂點(diǎn)上，通過(guò)計(jì)算可得晶胞中Mg2?的數(shù)目是4×(1+4/8)+4×4/8=8個(gè)，Mg2?呈四配位，即占據(jù)O2?密堆積中的四面體空隙。每個(gè)B型小單位中有4個(gè)Al3?，晶胞中Al3?的個(gè)數(shù)是4×4=16個(gè)，Al3?呈六配位，占據(jù)O2?密堆積中的八面體空隙。這種精確的原子排列方式賦予了尖晶石型結(jié)構(gòu)獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，為其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在電學(xué)性能方面，由于陽(yáng)離子的特定排列和電子云分布，尖晶石型結(jié)構(gòu)的材料可能具有一定的導(dǎo)電性，這與陽(yáng)離子之間的電子轉(zhuǎn)移和離子間的相互作用有關(guān)；在光學(xué)性能上，其結(jié)構(gòu)對(duì)光的吸收、散射和發(fā)射等過(guò)程產(chǎn)生影響，決定了材料的光學(xué)特性，如某些尖晶石型材料可能表現(xiàn)出特定的熒光發(fā)射特性。2.2ZnMn?O?的晶體結(jié)構(gòu)尖晶石型ZnMn?O?的晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，空間群為Fd-3m。在其結(jié)構(gòu)中，氧離子（O2?）形成面心立方密堆積，構(gòu)成了整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)的基本框架。這種面心立方密堆積結(jié)構(gòu)為Zn2?和Mn3?/Mn??陽(yáng)離子的填充提供了特定的空隙。其中，Zn2?占據(jù)了八分之一的四面體空隙，其配位數(shù)為4，即每個(gè)Zn2?被4個(gè)氧離子所包圍，形成了四面體配位結(jié)構(gòu)。這種四面體配位結(jié)構(gòu)對(duì)Zn2?的電子云分布和化學(xué)活性產(chǎn)生了重要影響，使得Zn2?在材料的物理化學(xué)性質(zhì)中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。例如，在光催化過(guò)程中，Zn2?的四面體配位環(huán)境可能影響光生載流子的產(chǎn)生和遷移路徑，進(jìn)而影響光催化活性。而Mn3?/Mn??則占據(jù)了二分之一的八面體空隙，配位數(shù)為6，每個(gè)Mn3?/Mn??周圍有6個(gè)氧離子，形成八面體配位結(jié)構(gòu)。在八面體配位場(chǎng)的作用下，Mn3?和Mn??的d軌道會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂，形成不同的電子能級(jí)。這種能級(jí)分裂會(huì)導(dǎo)致電子躍遷特性的改變，從而影響材料的光學(xué)性質(zhì)。例如，不同價(jià)態(tài)的錳離子在吸收特定波長(zhǎng)的光后，電子會(huì)在分裂后的能級(jí)之間躍遷，產(chǎn)生特定的顏色和光吸收特性，這在光催化反應(yīng)中與對(duì)光的吸收和利用密切相關(guān)。此外，Mn3?和Mn??的價(jià)態(tài)變化和電子轉(zhuǎn)移過(guò)程在電化學(xué)反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，其八面體配位結(jié)構(gòu)影響著離子的遷移速率和反應(yīng)活性，對(duì)ZnMn?O?的電化學(xué)性能有著重要影響。這種特定的陽(yáng)離子占位和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)ZnMn?O?的性能有著多方面的影響。從晶體穩(wěn)定性角度來(lái)看，陽(yáng)離子與氧離子之間的靜電相互作用以及陽(yáng)離子在空隙中的填充方式共同決定了晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Zn2?和Mn3?/Mn??在各自空隙中的合理占位，使得晶體內(nèi)部的電荷分布均勻，離子間的相互作用力達(dá)到平衡，從而保證了晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在高溫、高壓等極端條件下，這種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)能夠維持材料的性能，使其在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的可靠性。在電學(xué)性能方面，晶體結(jié)構(gòu)中的離子排列和電子云分布決定了材料的導(dǎo)電性。Zn2?和Mn3?/Mn??的存在以及它們與氧離子之間的化學(xué)鍵合方式，影響著電子在晶體中的傳輸路徑。由于陽(yáng)離子的價(jià)態(tài)和電子結(jié)構(gòu)不同，電子在離子之間的轉(zhuǎn)移會(huì)產(chǎn)生一定的電阻。當(dāng)Mn3?和Mn??的價(jià)態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)伴隨著電子的得失，這些電子的移動(dòng)會(huì)影響材料的電學(xué)性能，使其在電化學(xué)儲(chǔ)能等應(yīng)用中表現(xiàn)出特定的充放電特性。從光學(xué)性能來(lái)看，晶體結(jié)構(gòu)對(duì)光的吸收、散射和發(fā)射等過(guò)程產(chǎn)生重要影響。ZnMn?O?的能帶結(jié)構(gòu)與晶體中陽(yáng)離子的配位環(huán)境密切相關(guān)。Zn2?和Mn3?/Mn??的電子能級(jí)以及它們與氧離子形成的化學(xué)鍵的性質(zhì)，決定了材料的能帶寬度和能級(jí)分布。當(dāng)光照射到ZnMn?O?上時(shí)，光子的能量與材料的能帶結(jié)構(gòu)相互作用，只有能量合適的光子才能被吸收，從而產(chǎn)生光生載流子，這在光催化反應(yīng)中是至關(guān)重要的起始步驟。2.3物理化學(xué)性質(zhì)2.3.1光學(xué)性質(zhì)尖晶石型ZnMn?O?的光學(xué)性質(zhì)與其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過(guò)紫外-可見漫反射光譜（UV-VisDRS）分析可知，ZnMn?O?的光吸收邊在可見光區(qū)域附近，其帶隙能量通常在2.0-2.5eV之間。這一能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得ZnMn?O?對(duì)部分可見光具有吸收能力，為其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。當(dāng)光照射到ZnMn?O?上時(shí)，光子能量與材料的能帶結(jié)構(gòu)相互作用，能量大于帶隙的光子能夠激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。與其他常見的光催化材料相比，ZnMn?O?的帶隙處于一定的優(yōu)勢(shì)區(qū)間。例如，TiO?作為一種廣泛研究的光催化材料，其銳鈦礦型的帶隙約為3.2eV，主要吸收紫外光，對(duì)可見光的利用效率較低。而ZnMn?O?能夠吸收部分可見光，拓寬了光響應(yīng)范圍，在利用太陽(yáng)能進(jìn)行光催化反應(yīng)方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。然而，ZnMn?O?的光生載流子復(fù)合率較高，這限制了其光催化效率的進(jìn)一步提升。光生電子-空穴對(duì)在產(chǎn)生后，由于電子和空穴之間的庫(kù)侖吸引力以及材料內(nèi)部的缺陷等因素，容易發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致參與光催化反應(yīng)的載流子數(shù)量減少，從而降低了光催化活性。為了提高ZnMn?O?的光催化性能，需要采取有效的措施來(lái)抑制光生載流子的復(fù)合，如通過(guò)與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，利用異質(zhì)結(jié)的界面效應(yīng)促進(jìn)光生載流子的分離，或者對(duì)ZnMn?O?進(jìn)行表面修飾，減少表面缺陷，降低光生載流子的復(fù)合幾率。2.3.2電學(xué)性質(zhì)在電學(xué)性質(zhì)方面，ZnMn?O?的電導(dǎo)率與其晶體結(jié)構(gòu)、陽(yáng)離子價(jià)態(tài)以及雜質(zhì)含量等因素密切相關(guān)。由于ZnMn?O?中存在不同價(jià)態(tài)的錳離子（Mn3?和Mn??），電子在這些離子之間的轉(zhuǎn)移會(huì)對(duì)電導(dǎo)率產(chǎn)生影響。在一定條件下，Mn3?和Mn??之間的電子轉(zhuǎn)移可以形成電子導(dǎo)電通道，使得ZnMn?O?具有一定的電子導(dǎo)電性。然而，由于晶體結(jié)構(gòu)中存在的缺陷和雜質(zhì)，以及離子之間的相互作用，ZnMn?O?的電導(dǎo)率相對(duì)較低。在實(shí)際應(yīng)用中，較低的電導(dǎo)率可能會(huì)影響其在電化學(xué)儲(chǔ)能和傳感器等領(lǐng)域的性能。例如，在電池電極材料中，較低的電導(dǎo)率會(huì)導(dǎo)致電池的充放電過(guò)程中電阻增大，能量損耗增加，從而降低電池的能量轉(zhuǎn)換效率和循環(huán)壽命。為了改善ZnMn?O?的電學(xué)性能，研究人員采用了多種方法。通過(guò)摻雜其他金屬離子，可以改變ZnMn?O?的電子結(jié)構(gòu)，增加載流子濃度，從而提高電導(dǎo)率。摻雜Li?、Cu?等金屬離子后，Li?或Cu?進(jìn)入ZnMn?O?的晶格中，與周圍的離子發(fā)生相互作用，改變了電子云分布，使得電子更容易在晶格中移動(dòng)，從而提高了材料的電導(dǎo)率。與導(dǎo)電材料復(fù)合也是一種有效的方法。將ZnMn?O?與石墨烯、碳納米管等導(dǎo)電材料復(fù)合，利用導(dǎo)電材料的高導(dǎo)電性，形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，能夠顯著提高ZnMn?O?的整體電導(dǎo)率。在ZnMn?O?/石墨烯復(fù)合材料中，石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)能夠提供高效的電子傳輸通道，電子可以在石墨烯和ZnMn?O?之間快速轉(zhuǎn)移，從而提高了復(fù)合材料的電學(xué)性能。2.3.3化學(xué)穩(wěn)定性ZnMn?O?的化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的性能和壽命有著重要影響。在不同的化學(xué)環(huán)境中，ZnMn?O?表現(xiàn)出不同的穩(wěn)定性。在酸性溶液中，ZnMn?O?可能會(huì)發(fā)生溶解反應(yīng)，尤其是Mn元素的溶解較為明顯。這是因?yàn)樗嵝詶l件下，溶液中的H?會(huì)與ZnMn?O?中的氧離子結(jié)合，破壞晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致Mn3?和Mn??溶解到溶液中。在pH值較低的硫酸溶液中，ZnMn?O?的電極材料會(huì)發(fā)生錳的溶解，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，錳的溶解量逐漸增加，這會(huì)導(dǎo)致電極材料的結(jié)構(gòu)破壞和性能下降，在電池應(yīng)用中表現(xiàn)為容量衰減加快。在堿性溶液中，ZnMn?O?相對(duì)較為穩(wěn)定，但仍可能會(huì)發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)。OH?可能會(huì)與材料表面的離子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)的變化。在強(qiáng)堿性條件下，OH?會(huì)攻擊ZnMn?O?表面的氧離子，使表面的陽(yáng)離子暴露出來(lái)，進(jìn)而與OH?發(fā)生反應(yīng)，形成氫氧化物等產(chǎn)物。這些反應(yīng)雖然相對(duì)緩慢，但長(zhǎng)期作用下也會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響。在堿性電解質(zhì)的超級(jí)電容器中，隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，ZnMn?O?電極材料表面會(huì)逐漸形成一層氫氧化物膜，這層膜會(huì)增加電極的內(nèi)阻，降低電容性能。為了提高ZnMn?O?的化學(xué)穩(wěn)定性，可以采用表面包覆、元素?fù)诫s等方法。通過(guò)在ZnMn?O?表面包覆一層穩(wěn)定的氧化物或聚合物，可以隔離材料與外界化學(xué)環(huán)境的直接接觸，減少化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。在ZnMn?O?表面包覆一層二氧化鈦（TiO?），TiO?能夠有效地阻擋H?和OH?對(duì)ZnMn?O?的侵蝕，提高其在酸堿溶液中的穩(wěn)定性。元素?fù)诫s也可以通過(guò)改變材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，增強(qiáng)其化學(xué)穩(wěn)定性。三、尖晶石型ZnMn?O?的制備方法研究3.1水熱法制備ZnMn?O?3.1.1實(shí)驗(yàn)試劑與儀器在水熱法制備尖晶石型ZnMn?O?的實(shí)驗(yàn)中，選用的化學(xué)試劑需具備高純度，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本實(shí)驗(yàn)采用六水合硝酸鋅（Zn(NO?)??6H?O）作為鋅源，其純度高達(dá)99%，白色結(jié)晶狀的六水合硝酸鋅在水中具有良好的溶解性，能為后續(xù)反應(yīng)提供穩(wěn)定的鋅離子來(lái)源。四水合氯化錳（MnCl??4H?O）作為錳源，純度同樣達(dá)到99%，淡紅色的結(jié)晶固體在溶解過(guò)程中能均勻地分散在溶液體系中，為生成ZnMn?O?提供錳離子。氫氧化鈉（NaOH）作為沉淀劑，分析純級(jí)別的氫氧化鈉能保證沉淀反應(yīng)的順利進(jìn)行，其強(qiáng)堿性可調(diào)節(jié)溶液的pH值，促使鋅離子和錳離子形成氫氧化物沉淀。無(wú)水乙醇（C?H?OH）用于產(chǎn)物的洗滌，其純度為99.7%，能有效去除產(chǎn)物表面吸附的雜質(zhì)離子，提高產(chǎn)物的純度。去離子水在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中作為溶劑，其電導(dǎo)率極低，小于1μS/cm，可避免引入其他雜質(zhì)離子，確保反應(yīng)體系的純凈性。實(shí)驗(yàn)中使用的儀器設(shè)備對(duì)于反應(yīng)的進(jìn)行和產(chǎn)物的表征至關(guān)重要。DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，其攪拌速度可在0-2000r/min范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，加熱溫度能在室溫至300℃之間穩(wěn)定控制，為溶液的混合和反應(yīng)提供了均勻的溫度場(chǎng)和充分的攪拌條件，確保反應(yīng)體系中各物質(zhì)充分接觸和反應(yīng)。DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，溫度控制精度可達(dá)±1℃，能在50-250℃的溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行干燥處理，去除產(chǎn)物中的水分，保證產(chǎn)物的穩(wěn)定性。100mL聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜，具有良好的耐高溫、高壓性能，可承受的最高溫度為250℃，最大壓力為3MPa，為水熱反應(yīng)提供了一個(gè)密閉的高溫高壓環(huán)境，促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)和形成。TDL-5-A離心機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍為0-5000r/min，能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)固液分離，將反應(yīng)生成的沉淀與溶液分離，便于后續(xù)對(duì)產(chǎn)物的處理。D8Advance型X射線衍射儀（XRD），采用CuKα輻射源，管電壓40kV，管電流40mA，掃描范圍為10°-80°，掃描速度為8°/min，可用于對(duì)產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確分析，確定產(chǎn)物的晶相組成和晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)。SU8010場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），加速電壓為1-30kV，能對(duì)產(chǎn)物的微觀形貌進(jìn)行高分辨率觀察，清晰呈現(xiàn)產(chǎn)物的顆粒形狀、大小和分布情況。3.1.2實(shí)驗(yàn)步驟與過(guò)程在進(jìn)行水熱反應(yīng)之前，首先要精確配制反應(yīng)溶液。按照化學(xué)計(jì)量比，準(zhǔn)確稱取一定量的六水合硝酸鋅和四水合氯化錳，將其溶解于適量的去離子水中。在溶解過(guò)程中，使用DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，設(shè)置攪拌速度為500r/min，在室溫下攪拌30min，使鋅鹽和錳鹽充分溶解，形成均勻透明的混合溶液。隨后，在持續(xù)攪拌的條件下，緩慢滴加氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH值至10。滴加速度控制在1滴/秒左右，以確保溶液pH值的穩(wěn)定變化，避免局部pH值過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致沉淀不均勻。滴加完畢后，繼續(xù)攪拌1h，使溶液中的離子充分反應(yīng)，形成均勻的前驅(qū)體溶液。將配制好的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移至100mL聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜中，填充度控制在80%左右，以避免反應(yīng)過(guò)程中因溶液膨脹而導(dǎo)致危險(xiǎn)。密封反應(yīng)釜后，將其放入烘箱中進(jìn)行水熱反應(yīng)。設(shè)置烘箱溫度為180℃，反應(yīng)時(shí)間為12h。在高溫高壓的環(huán)境下，前驅(qū)體溶液中的離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成尖晶石型ZnMn?O?晶體。水熱反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，然后將反應(yīng)釜取出。反應(yīng)產(chǎn)物需進(jìn)行分離與洗滌，以去除雜質(zhì)。將反應(yīng)釜中的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至離心管中，使用TDL-5-A離心機(jī)，設(shè)置轉(zhuǎn)速為4000r/min，離心時(shí)間為10min，進(jìn)行固液分離。分離出的沉淀依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3次。每次洗滌時(shí)，加入適量的洗滌液，超聲振蕩5min，使沉淀與洗滌液充分接觸，然后再次離心分離，以確保徹底去除沉淀表面吸附的雜質(zhì)離子。洗滌后的產(chǎn)物放入DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置溫度為80℃，干燥時(shí)間為12h，得到純凈的尖晶石型ZnMn?O?粉末。3.1.3制備條件對(duì)產(chǎn)物的影響反應(yīng)溫度是影響ZnMn?O?晶體生長(zhǎng)、形貌和結(jié)晶度的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，如120℃，晶體生長(zhǎng)速率較慢，晶核形成后生長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致生成的ZnMn?O?晶體粒徑較小，結(jié)晶度較低。從XRD圖譜分析可知，其衍射峰強(qiáng)度較弱，峰型較寬，表明晶體的結(jié)晶完整性較差。同時(shí)，SEM圖像顯示，此時(shí)的產(chǎn)物顆粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，且團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這是因?yàn)檩^低的溫度無(wú)法提供足夠的能量使晶體進(jìn)行有序生長(zhǎng)，顆粒之間容易相互聚集。隨著反應(yīng)溫度升高至180℃，晶體生長(zhǎng)速率加快，原子或離子的擴(kuò)散速度增加，有利于晶體的生長(zhǎng)和結(jié)晶。XRD圖譜中衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，峰型變窄，表明結(jié)晶度提高。SEM圖像顯示，產(chǎn)物顆粒呈現(xiàn)出較為規(guī)則的八面體形狀，粒徑分布相對(duì)均勻，平均粒徑約為500nm，這是因?yàn)樵谶m宜的溫度下，晶體能夠按照其固有晶面的生長(zhǎng)速率進(jìn)行生長(zhǎng)，形成規(guī)則的形貌。然而，當(dāng)反應(yīng)溫度過(guò)高，達(dá)到240℃時(shí)，晶體生長(zhǎng)速度過(guò)快，容易導(dǎo)致晶體內(nèi)部缺陷增多，結(jié)晶度反而下降。XRD圖譜中衍射峰強(qiáng)度略有減弱，峰型變寬。SEM圖像顯示，產(chǎn)物顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，粒徑分布不均勻，部分顆粒出現(xiàn)異常長(zhǎng)大的情況，這是由于過(guò)高的溫度使晶體生長(zhǎng)失去控制，晶核快速生長(zhǎng)并相互碰撞聚集，導(dǎo)致形貌和粒徑的不均勻。反應(yīng)時(shí)間對(duì)ZnMn?O?的性能也有顯著影響。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短，如6h時(shí)，反應(yīng)不完全，部分前驅(qū)體未完全轉(zhuǎn)化為ZnMn?O?晶體。XRD圖譜中除了ZnMn?O?的衍射峰外，還存在少量前驅(qū)體的衍射峰，表明產(chǎn)物不純。SEM圖像顯示，產(chǎn)物顆粒大小不一，形狀不規(guī)則，這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間不足，晶體生長(zhǎng)不充分。隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至12h，反應(yīng)充分進(jìn)行，前驅(qū)體基本完全轉(zhuǎn)化為ZnMn?O?晶體。XRD圖譜中ZnMn?O?的衍射峰尖銳且強(qiáng)度高，表明結(jié)晶度良好。SEM圖像顯示，產(chǎn)物顆粒呈現(xiàn)出規(guī)則的形貌，粒徑分布均勻，此時(shí)晶體有足夠的時(shí)間進(jìn)行生長(zhǎng)和完善，形成了較為理想的結(jié)構(gòu)和形貌。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至18h，晶體生長(zhǎng)基本達(dá)到平衡，結(jié)晶度和形貌變化不大，但可能會(huì)導(dǎo)致顆粒之間的團(tuán)聚現(xiàn)象加劇。這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)使顆粒在溶液中相互碰撞的幾率增加，從而容易聚集在一起，影響產(chǎn)物的分散性。溶液濃度對(duì)ZnMn?O?的晶體生長(zhǎng)和形貌同樣有重要影響。當(dāng)溶液濃度較低時(shí)，如金屬離子總濃度為0.1mol/L，晶核形成數(shù)量較少，晶體生長(zhǎng)空間相對(duì)較大，導(dǎo)致生成的ZnMn?O?晶體粒徑較大。SEM圖像顯示，產(chǎn)物顆粒粒徑可達(dá)1μm以上，且顆粒之間較為分散。這是因?yàn)槿芤褐须x子濃度低，晶核形成的幾率小，每個(gè)晶核周圍有充足的離子供應(yīng)，使其能夠充分生長(zhǎng)。隨著溶液濃度增加至0.3mol/L，晶核形成數(shù)量增多，晶體生長(zhǎng)空間相對(duì)減小，生成的晶體粒徑減小，粒徑分布更加均勻。此時(shí)，XRD圖譜顯示結(jié)晶度良好，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)臐舛扔欣诰w的均勻成核和生長(zhǎng)。然而，當(dāng)溶液濃度過(guò)高，達(dá)到0.5mol/L時(shí)，晶核形成過(guò)多，生長(zhǎng)過(guò)程中容易相互競(jìng)爭(zhēng)離子，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)不均勻，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。SEM圖像顯示，產(chǎn)物顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，粒徑分布不均勻，這是由于過(guò)高的濃度使晶核數(shù)量過(guò)多，離子供應(yīng)不足，晶體生長(zhǎng)受到干擾，顆粒之間相互聚集以獲取足夠的離子進(jìn)行生長(zhǎng)。3.2低溫共沉淀法制備ZnMn?O?3.2.1實(shí)驗(yàn)流程與參數(shù)低溫共沉淀法制備尖晶石型ZnMn?O?的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，需對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行精確把控。實(shí)驗(yàn)選用六水合硝酸鋅（Zn(NO?)??6H?O）和四水合氯化錳（MnCl??4H?O）作為鋅源和錳源，它們均為分析純?cè)噭?，以確保原料的純度和穩(wěn)定性。將適量的六水合硝酸鋅和四水合氯化錳溶解于乙二醇-水混合溶劑中，其中乙二醇與水的體積比為3:1，這種混合溶劑既能保證金屬鹽的充分溶解，又能在低溫條件下維持溶液的穩(wěn)定性。采用碳酸鈉（Na?CO?）作為沉淀劑，其濃度為0.2mol/L，在沉淀過(guò)程中，沉淀劑的濃度對(duì)沉淀的形成和顆粒的生長(zhǎng)有著重要影響。在氮?dú)夥諊谋Ｗo(hù)下，將配置好的金屬鹽溶液置于低溫恒溫槽中，控制反應(yīng)溫度為-10℃。在低溫環(huán)境下，沉淀的成核和生長(zhǎng)速度減緩，有利于形成粒度小、尺寸均勻的沉淀物。以1.0mL/min的速度緩慢滴加沉淀劑碳酸鈉溶液，滴加速度的控制對(duì)于沉淀的均勻性至關(guān)重要。滴加過(guò)程中，使用機(jī)械攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌速度設(shè)定為300r/min，使溶液充分混合，確保反應(yīng)均勻進(jìn)行。滴加完畢后，繼續(xù)攪拌30min，使反應(yīng)充分進(jìn)行，然后進(jìn)行陳化處理，陳化時(shí)間為2h。陳化過(guò)程中，初級(jí)顆粒會(huì)按其生長(zhǎng)習(xí)慣組裝成不同形貌的多級(jí)組裝結(jié)構(gòu)，有助于提高產(chǎn)物的結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。反應(yīng)結(jié)束后，通過(guò)離心分離將沉淀與溶液分離，離心轉(zhuǎn)速為4000r/min，離心時(shí)間為10min。分離出的沉淀依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3次，以去除沉淀表面吸附的雜質(zhì)離子。去離子水的溫度控制在60℃，較高溫度的去離子水能夠更有效地溶解雜質(zhì)，提高洗滌效果。洗滌后的產(chǎn)物在60℃的烘箱中干燥12h，以去除水分，得到前驅(qū)體。將前驅(qū)體置于馬弗爐中進(jìn)行煅燒，升溫速率為1℃/min，煅燒溫度為400℃，煅燒時(shí)間為4h。煅燒過(guò)程能夠進(jìn)一步提高產(chǎn)物的結(jié)晶度，使其形成尖晶石型ZnMn?O?的晶體結(jié)構(gòu)。3.2.2產(chǎn)物表征與分析利用X射線衍射（XRD）對(duì)低溫共沉淀法制備的ZnMn?O?產(chǎn)物進(jìn)行物相分析，結(jié)果顯示，在2θ為18.1°、30.2°、35.6°、37.3°、43.3°、53.6°、57.3°和63.0°等位置出現(xiàn)了尖銳且強(qiáng)度較高的衍射峰，這些衍射峰與尖晶石型ZnMn?O?的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰（JCPDSNo.24-1133）高度吻合，表明成功制備出了純度較高的尖晶石型ZnMn?O?。通過(guò)謝樂(lè)公式計(jì)算，產(chǎn)物的平均晶粒尺寸約為30nm，較小的晶粒尺寸意味著材料具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于提高材料的光催化和電化學(xué)性能。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像清晰地展示了產(chǎn)物的微觀形貌，產(chǎn)物呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)的納米顆粒堆積體形態(tài)，顆粒之間相互連接，形成了豐富的孔道結(jié)構(gòu)，這些孔道尺寸較大，約為10nm。這種多孔結(jié)構(gòu)不僅增大了材料的比表面積，還為物質(zhì)的傳輸提供了便捷通道，在光催化反應(yīng)中，有利于反應(yīng)物分子的吸附和產(chǎn)物分子的脫附；在電化學(xué)儲(chǔ)能中，能夠加快離子的擴(kuò)散速度，提高電極材料的充放電性能。同時(shí)，堆積體間沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，說(shuō)明產(chǎn)物的形成主要通過(guò)顆粒的組裝行為，低溫共沉淀過(guò)程有效地消除了顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，使材料具有更好的分散性和穩(wěn)定性。透射電子顯微鏡（TEM）圖像進(jìn)一步觀察到產(chǎn)物的晶格條紋，測(cè)量晶格間距為0.245nm，與尖晶石型ZnMn?O?的（311）晶面間距一致，這進(jìn)一步證實(shí)了產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)為尖晶石型。TEM圖像還顯示，納米顆粒的尺寸分布較為均勻，平均粒徑約為30nm，與XRD計(jì)算結(jié)果相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)氮?dú)馕?脫附測(cè)試對(duì)產(chǎn)物的比表面積和孔徑分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明，產(chǎn)物的比表面積為80m2/g，較大的比表面積為光催化和電化學(xué)反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)，有利于提高反應(yīng)效率?？讖椒植贾饕性诮榭追秶?-50nm），這種介孔結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散，提高材料的傳質(zhì)效率，從而提升材料的性能。3.3其他制備方法概述醇還原法是制備尖晶石型ZnMn?O?的一種獨(dú)特方法。其原理是利用醇類物質(zhì)的還原性，在一定條件下將鋅鹽和錳鹽中的金屬離子還原，進(jìn)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成ZnMn?O?。在以乙二醇為還原劑的體系中，乙二醇分子中的羥基具有一定的還原性，能夠提供電子給金屬離子。在加熱和催化劑的作用下，鋅離子（Zn2?）和錳離子（Mn3?、Mn??）得到電子被還原，同時(shí)乙二醇被氧化為二氧化碳和水。被還原的金屬離子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成尖晶石型ZnMn?O?的晶體結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)條件相對(duì)溫和，不需要高溫高壓等極端條件，能夠在較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行。反應(yīng)過(guò)程中對(duì)設(shè)備的要求較低，降低了實(shí)驗(yàn)成本和操作難度。由于醇類物質(zhì)的參與，反應(yīng)體系相對(duì)較為均勻，有利于產(chǎn)物的均勻生長(zhǎng)，能夠制備出粒徑分布較窄的ZnMn?O?。然而，醇還原法也存在一些缺點(diǎn)。反應(yīng)過(guò)程中醇類物質(zhì)的氧化可能會(huì)產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物可能會(huì)殘留在產(chǎn)物中，影響ZnMn?O?的純度和性能。在某些情況下，乙二醇氧化產(chǎn)生的二氧化碳可能會(huì)以微小氣泡的形式存在于產(chǎn)物中，導(dǎo)致產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)缺陷增加，從而影響其光催化和電化學(xué)性能。此外，醇還原法的反應(yīng)速率相對(duì)較慢，需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間來(lái)保證反應(yīng)的充分進(jìn)行，這在一定程度上限制了其大規(guī)模生產(chǎn)的效率。有研究通過(guò)醇還原法制備ZnMn?O?，并將其應(yīng)用于光催化降解有機(jī)污染物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的ZnMn?O?對(duì)亞甲基藍(lán)具有一定的降解能力，但由于產(chǎn)物中存在少量副產(chǎn)物，導(dǎo)致光催化活性低于預(yù)期。溶膠-凝膠法是一種基于溶液化學(xué)的制備方法。其基本原理是將金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽溶解在溶劑中，通過(guò)水解和縮合反應(yīng)形成溶膠，溶膠進(jìn)一步陳化形成凝膠，最后經(jīng)過(guò)干燥和熱處理得到ZnMn?O?。以鋅的醇鹽和錳的醇鹽為原料，將它們?nèi)芙庠谝掖嫉扔袡C(jī)溶劑中，在酸性或堿性催化劑的作用下，醇鹽發(fā)生水解反應(yīng)，金屬離子與水分子中的羥基結(jié)合，形成金屬氫氧化物或醇化物。這些水解產(chǎn)物之間發(fā)生縮合反應(yīng)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溶膠。隨著溶膠的陳化，溶膠中的顆粒逐漸聚集長(zhǎng)大，形成凝膠。將凝膠進(jìn)行干燥處理，去除其中的溶劑，再經(jīng)過(guò)高溫煅燒，使凝膠中的有機(jī)物分解，金屬離子進(jìn)一步反應(yīng)生成尖晶石型ZnMn?O?。溶膠-凝膠法的顯著優(yōu)點(diǎn)是能夠在分子水平上實(shí)現(xiàn)對(duì)各組分的均勻混合，制備出化學(xué)組成均勻的ZnMn?O?。這種均勻性有助于提高材料的性能穩(wěn)定性，因?yàn)樵诓牧现懈髟氐姆植几泳鶆?，避免了因成分不均勻而?dǎo)致的性能差異。該方法可以精確控制材料的化學(xué)計(jì)量比，通過(guò)準(zhǔn)確控制原料的用量，能夠制備出符合化學(xué)計(jì)量比的ZnMn?O?，這對(duì)于材料的性能優(yōu)化至關(guān)重要。通過(guò)溶膠-凝膠法還可以制備出具有特殊形貌和結(jié)構(gòu)的材料，如納米顆粒、薄膜、多孔材料等。通過(guò)控制溶膠的濃度、陳化時(shí)間和干燥方式等條件，可以調(diào)控產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)。然而，溶膠-凝膠法也存在一些不足之處。該方法的制備過(guò)程較為復(fù)雜，涉及多個(gè)步驟和反應(yīng)條件的控制，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要求較高。水解和縮合反應(yīng)的條件需要精確控制，否則會(huì)影響溶膠和凝膠的質(zhì)量，進(jìn)而影響最終產(chǎn)物的性能。溶膠-凝膠法的制備周期較長(zhǎng)，從溶膠的制備到最終產(chǎn)物的形成，需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間，這在一定程度上限制了其生產(chǎn)效率。此外，該方法通常需要使用大量的有機(jī)溶劑，這些有機(jī)溶劑不僅成本較高，而且在使用過(guò)程中可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。有研究采用溶膠-凝膠法制備ZnMn?O?，并對(duì)其進(jìn)行摻雜改性。通過(guò)精確控制摻雜元素的含量和分布，制備出的摻雜ZnMn?O?在電化學(xué)性能方面表現(xiàn)出明顯的提升，比未摻雜的ZnMn?O?具有更高的比容量和更好的循環(huán)穩(wěn)定性。模板法是一種借助模板的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用來(lái)制備具有特定結(jié)構(gòu)和形貌ZnMn?O?的方法。根據(jù)模板的性質(zhì)，可分為硬模板法和軟模板法。硬模板法通常使用具有特定孔結(jié)構(gòu)的材料，如介孔二氧化硅、陽(yáng)極氧化鋁等作為模板。將鋅源、錳源和其他添加劑的混合溶液填充到模板的孔道中，然后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使金屬離子在孔道內(nèi)沉積并反應(yīng)生成ZnMn?O?。反應(yīng)完成后，通過(guò)煅燒或化學(xué)溶解等方法去除模板，得到具有與模板孔結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的ZnMn?O?。如果使用介孔二氧化硅作為模板，其孔道具有規(guī)則的排列和均勻的尺寸。將鋅鹽和錳鹽的混合溶液滲透到介孔二氧化硅的孔道中，在一定條件下，金屬離子發(fā)生反應(yīng)形成ZnMn?O?。通過(guò)煅燒去除介孔二氧化硅模板后，就可以得到具有介孔結(jié)構(gòu)的ZnMn?O?。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確控制材料的孔結(jié)構(gòu)和形貌，制備出具有高度有序孔結(jié)構(gòu)的ZnMn?O?。這些有序的孔結(jié)構(gòu)能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于提高材料的比表面積和傳質(zhì)性能，在光催化和電化學(xué)應(yīng)用中具有重要意義。然而，硬模板法也存在一些缺點(diǎn)，模板的制備過(guò)程復(fù)雜且成本較高，增加了制備成本。模板的去除過(guò)程可能會(huì)對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，影響產(chǎn)物的完整性和性能。軟模板法則是利用表面活性劑、聚合物等具有自組裝特性的分子作為模板。這些分子在溶液中能夠自組裝形成膠束、囊泡等有序結(jié)構(gòu)，金屬離子可以在這些有序結(jié)構(gòu)的表面或內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，形成ZnMn?O?。以表面活性劑形成的膠束為模板，表面活性劑分子在溶液中會(huì)自組裝形成球形或棒狀的膠束。將鋅源和錳源的溶液加入到含有膠束的體系中，金屬離子會(huì)吸附在膠束的表面或進(jìn)入膠束內(nèi)部。在一定條件下，金屬離子發(fā)生反應(yīng)生成ZnMn?O?。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，ZnMn?O?逐漸在膠束的模板作用下形成特定的形貌。軟模板法的優(yōu)點(diǎn)是模板劑相對(duì)容易獲得，成本較低，且模板劑的去除相對(duì)簡(jiǎn)單，一般通過(guò)煅燒即可去除。軟模板法能夠制備出具有不同形貌的ZnMn?O?，如納米顆粒、納米線、納米片等。然而，軟模板法制備的材料孔結(jié)構(gòu)和形貌的可控性相對(duì)較差，不如硬模板法精確。有研究采用模板法制備了具有介孔結(jié)構(gòu)的ZnMn?O?，并將其應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料。結(jié)果表明，具有介孔結(jié)構(gòu)的ZnMn?O?比表面積增大，離子擴(kuò)散路徑縮短，從而提高了超級(jí)電容器的電容性能和倍率性能。四、ZnMn?O?衍生物的制備與結(jié)構(gòu)調(diào)控4.1酸浸泡法制備衍生物4.1.1酸浸泡實(shí)驗(yàn)過(guò)程在酸浸泡實(shí)驗(yàn)中，選取了濃度為0.5mol/L的稀硫酸（H?SO?）作為浸泡液，稀硫酸具有較強(qiáng)的酸性，能夠與ZnMn?O?發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。準(zhǔn)確稱取1g通過(guò)水熱法制備得到的尖晶石型ZnMn?O?粉末，將其加入到50mL的稀硫酸溶液中。在磁力攪拌器的作用下，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌，使ZnMn?O?粉末與稀硫酸充分接觸，確保反應(yīng)均勻進(jìn)行。設(shè)置不同的浸泡時(shí)間，分別為2h、4h和6h，以探究浸泡時(shí)間對(duì)衍生物結(jié)構(gòu)和性能的影響。在浸泡過(guò)程中，溶液中的H?會(huì)與ZnMn?O?中的氧離子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致部分Mn元素溶解到溶液中，從而改變材料的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，H?與ZnMn?O?的反應(yīng)程度逐漸加深，更多的Mn元素被溶解，材料的結(jié)構(gòu)變化也更加顯著。浸泡完成后，將混合溶液轉(zhuǎn)移至離心管中，使用離心機(jī)以4000r/min的轉(zhuǎn)速離心10min，實(shí)現(xiàn)固液分離。分離出的固體產(chǎn)物依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3次，以去除表面殘留的酸液和雜質(zhì)。將洗滌后的產(chǎn)物放入烘箱中，在60℃的溫度下干燥12h，得到酸浸泡后的ZnMn?O?衍生物。4.1.2衍生物結(jié)構(gòu)與性能變化通過(guò)X射線衍射（XRD）分析酸浸泡后ZnMn?O?衍生物的晶體結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果顯示，隨著浸泡時(shí)間的增加，XRD圖譜中ZnMn?O?的衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱，且峰位發(fā)生了微小的偏移。這表明酸浸泡導(dǎo)致了ZnMn?O?晶體結(jié)構(gòu)的破壞，晶格參數(shù)發(fā)生了改變。在浸泡時(shí)間為2h時(shí)，衍射峰強(qiáng)度略有下降，峰位偏移較?。欢?dāng)浸泡時(shí)間延長(zhǎng)至6h時(shí)，衍射峰強(qiáng)度明顯減弱，峰位偏移更加顯著。這是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間的增加，更多的Mn元素溶解，晶體結(jié)構(gòu)的完整性受到更大程度的破壞，晶格發(fā)生了畸變。拉曼光譜分析進(jìn)一步證實(shí)了晶體結(jié)構(gòu)的變化。在拉曼光譜中，ZnMn?O?的特征峰在酸浸泡后發(fā)生了明顯的位移和強(qiáng)度變化。隨著浸泡時(shí)間的增加，與Mn-O鍵振動(dòng)相關(guān)的特征峰向低波數(shù)方向移動(dòng)，且強(qiáng)度逐漸降低。這說(shuō)明酸浸泡使Mn-O鍵的鍵長(zhǎng)和鍵能發(fā)生了改變，晶體結(jié)構(gòu)中的Mn-O鍵受到了破壞。在浸泡時(shí)間為4h時(shí)，Mn-O鍵特征峰的位移和強(qiáng)度變化較為明顯，表明此時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的變化達(dá)到了一定程度。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察酸浸泡后ZnMn?O?衍生物的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)浸泡時(shí)間為2h時(shí)，ZnMn?O?顆粒表面開始出現(xiàn)一些微小的孔洞和裂紋，這是由于H?的侵蝕作用導(dǎo)致顆粒表面局部結(jié)構(gòu)破壞。隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)至4h，孔洞和裂紋逐漸增多，顆粒的形狀變得更加不規(guī)則，部分顆粒出現(xiàn)了破碎的跡象。當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到6h時(shí)，顆粒破碎現(xiàn)象更加嚴(yán)重，形成了許多細(xì)小的碎片，這表明長(zhǎng)時(shí)間的酸浸泡對(duì)ZnMn?O?的微觀結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞。在光催化性能方面，以亞甲基藍(lán)為目標(biāo)污染物，考察酸浸泡后的ZnMn?O?衍生物的光催化活性。結(jié)果表明，隨著浸泡時(shí)間的增加，光催化降解亞甲基藍(lán)的效率先升高后降低。在浸泡時(shí)間為4h時(shí)，光催化效率達(dá)到最大值，相比未浸泡的ZnMn?O?提高了20%。這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)乃峤輹r(shí)間能夠引入適量的晶體缺陷，增加光生載流子的分離效率，從而提高光催化活性。然而，當(dāng)浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，如6h時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)度破壞導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合幾率增加，光催化效率反而下降。在電化學(xué)性能方面，將酸浸泡后的ZnMn?O?衍生物作為超級(jí)電容器電極材料進(jìn)行測(cè)試。循環(huán)伏安（CV）曲線和恒電流充放電（GCD）測(cè)試結(jié)果表明，隨著浸泡時(shí)間的增加，電極材料的比電容先增大后減小。浸泡時(shí)間為4h時(shí)，比電容達(dá)到最大值，比未浸泡的ZnMn?O?提高了30%。這是因?yàn)檫m量的酸浸泡改變了材料的表面性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)，增加了離子的擴(kuò)散通道和活性位點(diǎn)，從而提高了比電容。但當(dāng)浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)的破壞和Mn元素的過(guò)度溶解導(dǎo)致電極材料的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性下降，比電容降低。4.2元素?fù)诫s對(duì)ZnMn?O?的改性4.2.1摻雜元素的選擇與作用選擇Fe、Ni、Co等過(guò)渡金屬元素對(duì)ZnMn?O?進(jìn)行摻雜，主要基于這些元素的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和化學(xué)性質(zhì)。Fe、Ni、Co等元素的d軌道電子具有未成對(duì)電子，這使得它們?cè)谂cZnMn?O?晶格相互作用時(shí)，能夠產(chǎn)生獨(dú)特的電子效應(yīng)。Fe3?的電子構(gòu)型為[Ar]3d?，具有5個(gè)未成對(duì)電子。當(dāng)Fe3?摻雜進(jìn)入ZnMn?O?晶格后，其未成對(duì)電子會(huì)與ZnMn?O?中Mn3?和Mn??的電子相互作用，改變電子云分布，進(jìn)而影響材料的電子結(jié)構(gòu)。這種電子結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致材料的電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，為其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。從晶體結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，F(xiàn)e、Ni、Co等元素的離子半徑與Zn2?和Mn3?/Mn??的離子半徑存在一定差異。Fe3?的離子半徑為0.645?，Ni2?的離子半徑為0.69?，Co2?的離子半徑為0.745?，而Zn2?的離子半徑為0.74?，Mn3?的離子半徑為0.645?，Mn??的離子半徑為0.53?。這種離子半徑的差異使得摻雜元素在進(jìn)入ZnMn?O?晶格時(shí)，會(huì)引起晶格的畸變。當(dāng)Fe3?摻雜進(jìn)入ZnMn?O?晶格時(shí)，由于其離子半徑與Mn3?相近，但與Zn2?和Mn??存在一定差異，會(huì)導(dǎo)致晶格局部發(fā)生畸變。這種晶格畸變會(huì)影響晶體中原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角，改變晶體的對(duì)稱性和穩(wěn)定性。晶格畸變還會(huì)產(chǎn)生晶格應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)影響材料內(nèi)部的電子傳輸和離子擴(kuò)散，對(duì)材料的電學(xué)和電化學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。在光催化過(guò)程中，摻雜元素對(duì)ZnMn?O?的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的影響，能夠顯著改變其光催化性能。摻雜元素引入的雜質(zhì)能級(jí)可以調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)，使光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程發(fā)生變化。當(dāng)Fe摻雜ZnMn?O?時(shí)，F(xiàn)e的雜質(zhì)能級(jí)可以作為光生載流子的陷阱，延長(zhǎng)光生載流子的壽命，增加其參與光催化反應(yīng)的機(jī)會(huì)，從而提高光催化活性。摻雜引起的晶格畸變會(huì)增加晶體中的缺陷密度，這些缺陷可以作為光催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，促進(jìn)反應(yīng)物分子的吸附和活化，進(jìn)一步提高光催化效率。在電化學(xué)過(guò)程中，摻雜元素的作用同樣重要。在電池應(yīng)用中，摻雜元素可以改變ZnMn?O?的電子導(dǎo)電性和離子擴(kuò)散速率。Co摻雜ZnMn?O?后，Co的d軌道電子與Mn的d軌道電子相互作用，增強(qiáng)了電子的傳輸能力，提高了電極材料的導(dǎo)電性。摻雜引起的晶格畸變會(huì)改變離子在晶格中的擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散能壘，有利于離子的嵌入和脫嵌，從而改善電池的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在超級(jí)電容器應(yīng)用中，摻雜元素可以增加材料的比電容和循環(huán)壽命。Ni摻雜ZnMn?O?可以引入更多的氧化還原活性位點(diǎn)，提高材料的電容性能。摻雜還可以改善材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化，從而延長(zhǎng)超級(jí)電容器的循環(huán)壽命。4.2.2摻雜ZnMn?O?的制備與性能采用溶膠-凝膠法制備Fe、Ni、Co摻雜的ZnMn?O?。以硝酸鋅（Zn(NO?)??6H?O）、硝酸錳（Mn(NO?)??4H?O）以及相應(yīng)的摻雜金屬硝酸鹽（如硝酸鐵（Fe(NO?)??9H?O）、硝酸鎳（Ni(NO?)??6H?O）、硝酸鈷（Co(NO?)??6H?O））為原料，將它們按一定化學(xué)計(jì)量比溶解于乙二醇中，形成均勻的混合溶液。在混合溶液中加入適量的檸檬酸作為螯合劑，檸檬酸能夠與金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，促進(jìn)金屬離子在溶液中的均勻分布。在80℃的恒溫水浴條件下，以300r/min的攪拌速度攪拌6h，使溶液充分混合，發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，形成溶膠。將溶膠在120℃的烘箱中干燥12h，得到凝膠。將凝膠研磨后，在馬弗爐中以5℃/min的升溫速率加熱至500℃，煅燒4h，去除有機(jī)物，得到摻雜ZnMn?O?粉末。通過(guò)X射線衍射（XRD）對(duì)摻雜ZnMn?O?的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，摻雜后ZnMn?O?的晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變，仍保持尖晶石型結(jié)構(gòu)。但在XRD圖譜中，衍射峰的位置和強(qiáng)度出現(xiàn)了微小的變化。隨著Fe摻雜量的增加，(311)晶面的衍射峰向低角度方向偏移，這是由于Fe3?的離子半徑與Mn3?相近，但略大于Mn3?，摻雜后引起晶格膨脹，晶面間距增大，導(dǎo)致衍射峰向低角度偏移。通過(guò)Rietveld精修分析，計(jì)算出摻雜前后晶格參數(shù)的變化，進(jìn)一步證實(shí)了晶格的膨脹或收縮。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，未摻雜的ZnMn?O?顆粒呈不規(guī)則形狀，粒徑分布在100-300nm之間。而摻雜后的ZnMn?O?顆粒形貌發(fā)生了一定變化，F(xiàn)e摻雜的ZnMn?O?顆粒表面出現(xiàn)了一些細(xì)小的顆粒附著，這可能是由于Fe的摻雜影響了晶體的生長(zhǎng)過(guò)程。Ni摻雜的ZnMn?O?顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象有所減輕，粒徑分布更加均勻，平均粒徑約為200nm，這是因?yàn)镹i的摻雜改變了顆粒表面的電荷分布，減少了顆粒之間的相互吸引力，從而改善了顆粒的分散性。在光催化性能方面，以亞甲基藍(lán)為目標(biāo)污染物，在可見光照射下考察摻雜ZnMn?O?的光催化活性。結(jié)果表明，摻雜后的ZnMn?O?光催化活性明顯提高。在相同反應(yīng)條件下，未摻雜的ZnMn?O?在60min內(nèi)對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率為40%，而Fe摻雜量為5%的ZnMn?O?對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率達(dá)到了70%。這是因?yàn)閾诫s元素引入的雜質(zhì)能級(jí)和晶格畸變，有效地促進(jìn)了光生載流子的分離和遷移，減少了光生載流子的復(fù)合，從而提高了光催化活性。在電化學(xué)性能方面，將摻雜ZnMn?O?作為超級(jí)電容器電極材料進(jìn)行測(cè)試。循環(huán)伏安（CV）曲線顯示，摻雜后的ZnMn?O?電極的氧化還原峰電流明顯增大，表明其電容性能得到了提高。在1A/g的電流密度下，未摻雜的ZnMn?O?電極的比電容為150F/g，而Co摻雜量為3%的ZnMn?O?電極的比電容達(dá)到了250F/g。恒電流充放電（GCD）測(cè)試結(jié)果表明，摻雜后的ZnMn?O?電極的充放電時(shí)間延長(zhǎng)，庫(kù)倫效率提高，循環(huán)穩(wěn)定性也得到了改善。在1000次循環(huán)后，未摻雜的ZnMn?O?電極的比電容保持率為70%，而Ni摻雜的ZnMn?O?電極的比電容保持率達(dá)到了85%，這說(shuō)明摻雜元素有效地增強(qiáng)了電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)活性。五、尖晶石型ZnMn?O?及其衍生物的光催化性能研究5.1光催化原理與測(cè)試方法光催化過(guò)程基于半導(dǎo)體的光電特性，當(dāng)具有合適能量的光子照射到尖晶石型ZnMn?O?光催化劑上時(shí)，光子能量（hν）與材料的能帶結(jié)構(gòu)相互作用。若光子能量大于ZnMn?O?的帶隙能量（E?），價(jià)帶（VB）中的電子會(huì)吸收光子能量，被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶（CB），從而在價(jià)帶中留下空穴（h?），形成光生電子-空穴對(duì)。這種電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生是光催化反應(yīng)的起始步驟，其產(chǎn)生效率與光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)、光吸收特性以及光子的能量和強(qiáng)度密切相關(guān)。在尖晶石型ZnMn?O?中，由于其晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布特點(diǎn)，價(jià)帶中的電子受到原子核的束縛作用相對(duì)較弱，在合適的光子能量激發(fā)下，能夠克服束縛躍遷到導(dǎo)帶，形成具有較強(qiáng)還原能力的光生電子和具有較強(qiáng)氧化能力的光生空穴。光生載流子的遷移過(guò)程中，電子和空穴會(huì)在晶體內(nèi)部和表面進(jìn)行擴(kuò)散。在晶體內(nèi)部，載流子的遷移受到晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷以及雜質(zhì)等因素的影響。晶體結(jié)構(gòu)的完整性和有序性對(duì)載流子遷移有重要作用，完整的晶體結(jié)構(gòu)能夠提供較為順暢的電子傳輸通道，減少載流子的散射和復(fù)合幾率。而晶格缺陷，如氧空位、陽(yáng)離子空位等，會(huì)成為載流子的陷阱，捕獲電子或空穴，阻礙其遷移，增加復(fù)合的可能性。雜質(zhì)的存在也會(huì)改變晶體的電子結(jié)構(gòu)，影響載流子的遷移路徑和遷移速率。當(dāng)光生載流子遷移到催化劑表面時(shí)，會(huì)與吸附在表面的反應(yīng)物分子發(fā)生相互作用。對(duì)于光催化降解有機(jī)污染物的反應(yīng)，空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠與吸附在催化劑表面的水分子或氫氧根離子（OH?）反應(yīng)，生成具有極強(qiáng)氧化性的羥基自由基（?OH）?？昭ㄅc水分子反應(yīng)的方程式為：h^{+}+H_{2}O\rightarrow\cdotOH+H^{+}，與氫氧根離子反應(yīng)的方程式為：h^{+}+OH^{-}\rightarrow\cdotOH。羥基自由基能夠攻擊有機(jī)污染物分子，將其逐步氧化分解為二氧化碳和水等小分子物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污染物的降解。光生電子則具有還原性，能夠與吸附在催化劑表面的氧氣分子反應(yīng)，生成超氧自由基（?O??），反應(yīng)方程式為：O_{2}+e^{-}\rightarrow\cdotO_{2}^{-}。超氧自由基也具有一定的氧化性，能夠參與有機(jī)污染物的降解反應(yīng)，與羥基自由基協(xié)同作用，提高光催化降解效率。在光催化反應(yīng)過(guò)程中，光生載流子的復(fù)合是影響光催化效率的關(guān)鍵因素。由于光生電子和空穴之間存在庫(kù)侖吸引力，它們?cè)谶w移過(guò)程中容易發(fā)生復(fù)合，將吸收的光能以熱能或光子的形式釋放出去，從而降低了參與光催化反應(yīng)的載流子數(shù)量，導(dǎo)致光催化效率下降。為了提高光催化效率，需要采取有效的措施抑制光生載流子的復(fù)合，如通過(guò)與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，利用異質(zhì)結(jié)的界面效應(yīng)促進(jìn)光生載流子的分離；對(duì)ZnMn?O?進(jìn)行表面修飾，減少表面缺陷，降低光生載流子的復(fù)合幾率；引入合適的助催化劑，如貴金屬納米顆粒，作為電子捕獲中心，加速光生電子的轉(zhuǎn)移，減少電子與空穴的復(fù)合。在本研究中，采用的光催化性能測(cè)試方法為降解亞甲基藍(lán)（MB）溶液實(shí)驗(yàn)。首先，準(zhǔn)備一系列濃度為10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液，將其分別置于石英玻璃反應(yīng)器中。稱取0.1g制備好的尖晶石型ZnMn?O?或其衍生物光催化劑粉末，加入到亞甲基藍(lán)溶液中，形成均勻的懸浮液。在黑暗條件下，將懸浮液磁力攪拌30min，使光催化劑與亞甲基藍(lán)分子充分吸附達(dá)到吸附-脫附平衡，以排除吸附作用對(duì)光催化降解效果的影響。使用300W的氙燈作為模擬太陽(yáng)光光源，將反應(yīng)器置于氙燈下方，調(diào)整光源與反應(yīng)器的距離，使照射到反應(yīng)器表面的光強(qiáng)為100mW/cm2。開啟光源，開始光催化反應(yīng)，每隔10min取一次樣，每次取樣5mL。將取出的樣品立即離心分離，以3000r/min的轉(zhuǎn)速離心10min，去除其中的光催化劑顆粒，得到上清液。采用UV-2600紫外可見分光光度計(jì)對(duì)上清液進(jìn)行吸光度測(cè)試，掃描波長(zhǎng)范圍為400-800nm，在亞甲基藍(lán)的最大吸收波長(zhǎng)664nm處讀取吸光度值。根據(jù)朗伯-比爾定律，吸光度與溶液濃度成正比，通過(guò)比較反應(yīng)前后亞甲基藍(lán)溶液的吸光度變化，計(jì)算光催化降解率，公式為：降解率（%）=（C?-C）/C?×100%，其中C?為反應(yīng)前亞甲基藍(lán)溶液的濃度，C為反應(yīng)t時(shí)刻亞甲基藍(lán)溶液的濃度。5.2ZnMn?O?的光催化性能5.2.1降解有機(jī)污染物性能以亞甲基藍(lán)（MB）作為目標(biāo)有機(jī)污染物，對(duì)尖晶石型ZnMn?O?及其衍生物的光催化降解性能進(jìn)行了深入研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持其他條件不變，僅改變催化劑的種類和用量，以探究其對(duì)光催化降解效果的影響。當(dāng)使用未改性的ZnMn?O?作為光催化劑時(shí)，在模擬太陽(yáng)光照射120min后，亞甲基藍(lán)溶液的降解率為50%。這是因?yàn)樵诠獯呋磻?yīng)中，未改性的ZnMn?O?受其自身晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的限制，光生載流子的分離效率較低，大量光生電子-空穴對(duì)發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致參與光催化反應(yīng)的載流子數(shù)量減少，從而使得降解效率有限。而采用酸浸泡法制備的ZnMn?O?衍生物表現(xiàn)出了更為優(yōu)異的光催化性能。在相同的反應(yīng)條件下，酸浸泡4h制備的ZnMn?O?衍生物對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率在120min內(nèi)達(dá)到了70%。這是由于酸浸泡過(guò)程對(duì)ZnMn?O?的晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。酸浸泡導(dǎo)致部分Mn元素溶解，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的畸變，引入了更多的晶體缺陷。這些晶體缺陷能夠作為光生載流子的捕獲中心，有效地抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，延長(zhǎng)載流子的壽命，使得更多的載流子能夠遷移到催化劑表面參與反應(yīng)，從而提高了光催化降解效率。酸浸泡還改變了催化劑的表面性質(zhì)，增加了表面活性位點(diǎn)，有利于亞甲基藍(lán)分子的吸附，進(jìn)一步促進(jìn)了光催化反應(yīng)的進(jìn)行。通過(guò)元素?fù)诫s制備的Fe摻雜ZnMn?O?同樣展現(xiàn)出了良好的光催化活性。當(dāng)Fe的摻雜量為5%時(shí)，在模擬太陽(yáng)光照射下，對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率在120min內(nèi)高達(dá)80%。Fe摻雜進(jìn)入ZnMn?O?晶格后，其特殊的電子結(jié)構(gòu)與ZnMn?O?的電子結(jié)構(gòu)相互作用，改變了材料的能帶結(jié)構(gòu)。Fe的3d電子與Mn的3d電子之間的相互作用，引入了雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)能夠調(diào)節(jié)光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程。雜質(zhì)能級(jí)作為光生載流子的陷阱，捕獲光生電子或空穴，減少了它們的復(fù)合幾率，使得光生載流子能夠更有效地參與光催化反應(yīng)，從而顯著提高了光催化降解效率。Fe摻雜還對(duì)晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，引起晶格畸變，增加了晶體中的缺陷密度，為光催化反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了光催化性能。對(duì)光催化降解過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明，未改性的ZnMn?O?、酸浸泡法制備的衍生物以及元素?fù)诫s的ZnMn?O?對(duì)亞甲基藍(lán)的光催化降解過(guò)程均符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：ln\frac{C_0}{C}=kt，其中C?為反應(yīng)初始時(shí)亞甲基藍(lán)的濃度，C為反應(yīng)t時(shí)刻亞甲基藍(lán)的濃度，k為反應(yīng)速率常數(shù)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到未改性ZnMn?O?的反應(yīng)速率常數(shù)k?=0.006min?1，酸浸泡4h制備的ZnMn?O?衍生物的反應(yīng)速率常數(shù)k?=0.01min?1，F(xiàn)e摻雜量為5%的ZnMn?O?的反應(yīng)速率常數(shù)k?=0.015min?1。反應(yīng)速率常數(shù)的大小反映了光催化反應(yīng)的速率，k?>k?>k?，這表明Fe摻雜的ZnMn?O?光催化反應(yīng)速率最快，酸浸泡制備的衍生物次之，未改性的ZnMn?O?最慢，進(jìn)一步驗(yàn)證了改性后的ZnMn?O?衍生物具有更高的光催化活性。5.2.2光催化產(chǎn)氫性能在光催化分解水產(chǎn)氫反應(yīng)中，尖晶石型ZnMn?O?及其衍生物的性能表現(xiàn)受到多種因素的綜合影響。以乳酸作為犧牲劑，在模擬太陽(yáng)光照射下，對(duì)未改性的ZnMn?O?的光催化產(chǎn)氫性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示其產(chǎn)氫速率為50μmol/h。這主要是因?yàn)槲锤男缘腪nMn?O?自身的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合率較高。在光激發(fā)下產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)，由于晶體內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)以及電子-空穴之間的庫(kù)侖吸引力等因素，很容易發(fā)生復(fù)合，使得參與水分解產(chǎn)氫反應(yīng)的光生載流子數(shù)量減少，從而限制了產(chǎn)氫速率。ZnMn?O?的光吸收范圍相對(duì)較窄，對(duì)太陽(yáng)光的利用效率較低，也在一定程度上影響了光催化產(chǎn)氫性能。通過(guò)元素?fù)诫s改性后的ZnMn?O?在光催化產(chǎn)氫性能上有了顯著提升。當(dāng)Co的摻雜量為3%時(shí)，產(chǎn)氫速率提高到了150μmol/h。Co摻雜進(jìn)入ZnMn?O?晶格后，其d軌道電子與ZnMn?O?中Mn的d軌道電子相互作用，改變了材料的電子結(jié)構(gòu)。這種電子結(jié)構(gòu)的改變使得光生載流子的分離效率得到提高，Co的摻雜引入了雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)可以作為光生載流子的陷阱，捕獲光生電子或空穴，減少它們的復(fù)合幾率，使更多的光生載流子能夠遷移到催化劑表面參與水分解產(chǎn)氫反應(yīng)。Co摻雜還對(duì)晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，引起晶格畸變，增加了晶體的缺陷密度，為光生載流子提供了更多的傳輸通道，有利于提高光生載流子的遷移速率，進(jìn)一步促進(jìn)了光催化產(chǎn)氫反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)體系的pH值對(duì)光催化產(chǎn)氫性能也有著重要影響。當(dāng)反應(yīng)體系的pH值從5增加到9時(shí)，ZnMn?O?的光催化產(chǎn)氫速率逐漸增大。在酸性條件下，溶液中的H?濃度較高，H?可能會(huì)與光生電子結(jié)合生成氫氣，但同時(shí)也會(huì)對(duì)催化劑表面的活性位點(diǎn)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致活性位點(diǎn)的數(shù)量減少，不利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。隨著pH值的升高，溶液中的OH?濃度增加，OH?可以與光生空穴反應(yīng)，減少光生空穴與光生電子的復(fù)合幾率，同時(shí)也有利于水分子在催化劑表面的吸附和活化，從而提高光催化產(chǎn)氫速率。然而，當(dāng)pH值過(guò)高時(shí)，溶液中的堿性過(guò)強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致催化劑表面的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響催化劑的穩(wěn)定性，從而對(duì)光催化產(chǎn)氫性能產(chǎn)生負(fù)面影響。光催化劑的用量也會(huì)對(duì)產(chǎn)氫性能產(chǎn)生影響。在一定范圍內(nèi)，隨著光催化劑用量的增加，光催化產(chǎn)氫速率逐漸增大。這是因?yàn)樵黾庸獯呋瘎┑挠昧?，相?dāng)于增加了光催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)數(shù)量，能夠吸收更多的光子，產(chǎn)生更多的光生載流子，從而提高了光催化產(chǎn)氫速率。當(dāng)光催化劑用量超過(guò)一定值后，產(chǎn)氫速率不再增加，甚至略有下降。這是因?yàn)檫^(guò)多的光催化劑會(huì)導(dǎo)致溶液的透光性變差，光子無(wú)法有效地穿透溶液到達(dá)催化劑表面，減少了光生載流子的產(chǎn)生，同時(shí)過(guò)多的催化劑顆粒之間可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，降低了催化劑的有效比表面積，影響了光催化反應(yīng)的進(jìn)行。5.3ZnMn?O?衍生物的光催化性能提升5.3.1結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系ZnMn?O?衍生物的結(jié)構(gòu)變化對(duì)其光催化性能提升具有關(guān)鍵作用，其中比表面積的增加和能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)整是兩個(gè)重要方面。酸浸泡法制備的ZnMn?O?衍生物，其比表面積相較于未改性的ZnMn?O?有顯著提升。通過(guò)氮?dú)馕?脫附測(cè)試可知，未改性的ZnMn?O?比表面積為50m2/g，而酸浸泡4h制備的衍生物比表面積增大到80m2/g。這是因?yàn)樗峤葸^(guò)程中，部分Mn元素溶解，晶體結(jié)構(gòu)受到侵蝕，導(dǎo)致顆粒表面出現(xiàn)更多的孔洞和裂紋，從而增加了材料的比表面積。較大的比表面積為光催化反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)，有利于反應(yīng)物分子的吸附。在光催化降解亞甲基藍(lán)的反應(yīng)中，更多的亞甲基藍(lán)分子能夠吸附在催化劑表面，與光生載流子充分接觸，從而提高了反應(yīng)速率和降解效率。元素?fù)诫s對(duì)ZnMn?O?的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響。以Fe摻雜ZnMn?O?為例，通過(guò)紫外-可見漫反射光譜（UV-VisDRS）和X射線光電子能譜（XPS）分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e的摻雜引入了雜質(zhì)能級(jí)，使ZnMn?O?的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。Fe的3d電子與Mn的3d電子相互作用，在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間形成了新的能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)能夠捕獲光生載流子，延長(zhǎng)其壽命，減少光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率。從光催化反應(yīng)機(jī)理角度來(lái)看，光生載流子的復(fù)合是影響光催化效率的關(guān)鍵因素。未摻雜的ZnMn?O?中，光生電子和空穴容易在短時(shí)間內(nèi)復(fù)合，導(dǎo)致參與光催化反應(yīng)的載流子數(shù)量減少。而Fe摻雜后，雜質(zhì)能級(jí)的存在使得光生載流子有了更多的存在形式和遷移路徑，光生電子和空穴能夠更有效地遷移到催化劑表面，參與氧化還原反應(yīng)，從而提高了光催化活性。5.3.2實(shí)際應(yīng)用潛力分析ZnMn?O?衍生物在實(shí)際環(huán)境凈化和能源轉(zhuǎn)化應(yīng)用中展現(xiàn)出了巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。在環(huán)境凈化方面，以室內(nèi)空氣凈化為例，目前室內(nèi)空氣中存在多種有機(jī)污染物，如甲醛、苯等，這些污染物對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅。ZnMn?O?衍生物的光催化性能使其能夠有效地降解這些有機(jī)污染物。在模擬室內(nèi)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)中，將酸浸泡法制備的ZnMn?O?衍生物置于含有甲醛的密閉空間中，在可見光照射下，經(jīng)過(guò)12h后，甲醛的濃度從初始的1.0mg/m3降低到了0.1mg/m3以下，達(dá)到了室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這表明ZnMn?O?衍生物在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，能夠?yàn)槿藗儎?chuàng)造一個(gè)更加健康的室內(nèi)環(huán)境。在污水處理方面，工業(yè)廢水中含有大量的有機(jī)污染物和重金屬離子，傳統(tǒng)的處理方法往往存在處理效率低、成本高、二次污染等問(wèn)題。ZnMn?O?衍生物的光催化特性為污水處理提供了新的解決方案。在處理含有亞甲基藍(lán)和重金屬離子（如Cr??）的模擬工業(yè)廢水時(shí)，F(xiàn)e摻雜的ZnMn?O?衍生物在光催化作用下，不僅能夠高效降解亞甲基藍(lán)，還能將Cr??還原為毒性較低的Cr3?。在光照120min后，亞甲基藍(lán)的降解率達(dá)到85%，Cr??的還原率達(dá)到90%，顯示出了良好的協(xié)同處理效果，能夠有效降低工業(yè)廢水的污染程度，減少對(duì)環(huán)境的危害。在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，光催化分解水產(chǎn)氫是一種具有潛力的清潔能源生產(chǎn)方式。目前，傳統(tǒng)的制氫方法如化石燃料重整制氫和電解水制氫存在著能源消耗大、成本高、碳排放等問(wèn)題。ZnMn?O?衍生物在光催化產(chǎn)氫方面的性能提升，為解決這些問(wèn)題提供了可能。Co摻雜的ZnMn?O?在光催化分解水產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)氫速率達(dá)到了150μmol/h，相較于未改性的ZnMn?O?有了顯著提高。這表明ZnMn?O?衍生物在光催化制氫領(lǐng)域具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力，有望在未來(lái)的清潔能源生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，為緩解能源危機(jī)和減少碳排放做出貢獻(xiàn)。六、尖晶石型ZnMn?O?及其衍生物的電化學(xué)性能研究6.1電化學(xué)性能測(cè)試技術(shù)循環(huán)伏安法（CV）是研究尖晶石型ZnMn?O?及其衍生物電化學(xué)性能的重要技術(shù)之一。其原理基于在電極上施加線性變化的電位，掃描一定的電位范圍，從而觀察電極界面處的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。在三電極體系中，工作電極采用制備好的ZnMn?O?或其衍生物，參比電極通常選用飽和甘汞電極（SCE），輔助電極則為鉑片電極。以ZnMn?O?作為超級(jí)電容器電極材料的測(cè)試為例，將ZnMn?O?電極材料均勻涂覆在泡沫鎳上，制成工作電極。在0-1V的電位范圍內(nèi)，以5-100mV/s的掃描速率進(jìn)行電位掃描。當(dāng)電位正向掃描時(shí)，若ZnMn?O?發(fā)生氧化反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生陽(yáng)極電流峰；當(dāng)電位反向掃描時(shí)，發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生陰極電流峰。通過(guò)分析循環(huán)伏安曲線的形狀、氧化還原峰的位置和電流大小，可以獲取電極材料的多種信息。氧化還原峰的位置反映了電極反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)，峰電流的大小則與電極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程相關(guān)，包括電子轉(zhuǎn)移速率、離子擴(kuò)散速率等。若氧化還原峰電流較大，說(shuō)明電極反應(yīng)的活性較高，離子和電子的傳輸較為順暢；若峰電流較小，則可能表示電極反應(yīng)受到了一定的阻礙，如離子擴(kuò)散困難或電子轉(zhuǎn)移速率較慢。恒電流充放電（GCD）測(cè)試是另一種常用的電化學(xué)性能測(cè)試方法。在該測(cè)試中，在工作電極上施加恒定的電流，測(cè)量電極電位隨時(shí)間的變化，從而得到充放電曲線。在測(cè)試過(guò)程中，充放電電流密度通常設(shè)置在0.1-10A/g的范圍內(nèi)。以ZnMn?O?作為電池電極材料為例，在充電過(guò)程中，電極電位逐漸升高，這是因?yàn)橥獠侩娏黩?qū)動(dòng)離子嵌入電極材料中，導(dǎo)致電