mno2真空热还原制备mno粉(附件)【字数：12410】
摘 要摘 要MnO在常温下呈现为草绿色立方晶系粉末或八面体结晶，其被广泛地用作制造戊醇和脂肪酸的催化剂和制备铁氧体的原料。目前MnO的制备方法主要有还原焙烧法和直接还原浸出法。与直接还原浸出法相比，焙烧法由于其设备简单，制备方法容易，被大规模使用。本文研究了以MnO2与C作为原料在真空条件下还原制备MnO的工艺，利用XRD与SEM等手段对制备得到的产物的成分、晶体形貌进行分析。研究了在不同工艺条件（温度、还原焙烧时间、真空度）和不同的反应物质量比下对产物的影响，获得最佳的还原焙烧工艺条件。同时，利用了TG-DSC分析研究了MnO2与C的混合物热分解行为，为MnO的制备提供基础数据和理论依据。实验结果表明，制备MnO的最佳条件为 5 kpa、850 ℃、3 h，且生成的产物呈絮状。关键词二氧化锰； 一氧化锰； 真空还原焙烧
目 录
第一章 绪论 1
1.1 一氧化锰的性质与用途 1
1.2 一氧化锰的制备工艺 2
1.2.1 煤还原焙烧 2
1.2.2 两矿焙烧法 4
1.2.3 直接还原浸出法 4
1.2.4 生物质热解法 6
1.3 选题背景 6
1.4 一氧化锰的应用前景 9
第二章 实验部分 10
2.1 实验原料与设备 10
2.1.1 实验原料 10
2.1.2 实验仪器和设备 10
2.2 实验内容 11
2.2.1 C与MnO2的混合物的差热分析 11
2.2.2 探究常压下不同反应温度对MnO2的还原产物的影响 11
2.2.3 探究真空还原焙烧对MnO2还原产物的影响 11
2.3 分析方法 13
2.3.1 热重/差热分析（TGA/DSC） 13
2.3.2 X粉末衍射（XRD） 13
2.3.3 扫描电镜(SEM) 13
2.3.4 能谱分析（EDS） 14
第三章 实验结果与讨论 15
3.1 C与MnO2混合物的热差分析 15
3.2 产品的物相分析 16
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.1 常压下MnO2的还原产物 16
3.2.2 真空还原焙烧温度不同时的还原产物 17
3.2.3 真空还原焙烧时间不同时的还原产物 18
3.2.4 真空度不同时的还原产物 20
3.2.5 C含量不同时的还原产物 21
3.2.6 小结 22
3.3 产物的形貌分析 22
第四章 结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 一氧化锰的性质与用途
一氧化锰作为最基础的锰氧化物，在常温下呈现为草绿色立方晶系粉末或八面体结晶，可用于生产其它高价锰的氧化物、电解锰以及其它金属锰盐的原料。一氧化锰具有较高熔点，为1650 ℃ ，且熔融不分解，在水中不溶解, 但可以溶于酸和氯化铵。一氧化锰在空气中受热极易氧化为其他高价氧化锰，遇到赤热的水蒸气中可被氧化成二氧化锰同时生成氢气，与硫共加热生成氧硫化锰和二氧化硫，但其比较难还原，氢气在1200 ℃的高温时都无法将其还原，碳也要在11001200 ℃时才能将其还原成金属锰。一氧化锰具有少量的毒性，过量的锰进入身体会损害中枢神经系统，尤其是锥体外系统。
锰及其氧化物在冶金、化工、轻工、电子材料、农牧等部门的应用越来越广泛[15]。众所周知，三氧化二锰可用作从废气中除去一氧化碳和氮氧化物的催化剂。同时，二氧化锰和四氧化三锰可以作为甲烷和一氧化碳的氧化或硝基苯的选择性还原的有效的催化剂。二氧化锰由于其具有优异的电化学性能，以及生产成本低、污染小和制备简单等优点，已认为在原电池、二次电池和电化学电容器的电极材料很有发展前景[1]。而一氧化锰在工业中被广泛使用，如生产戊醇和脂肪酸时需要使用一氧化锰作催化剂，制备铁氧体主要原料也是一氧化锰，同时在医药、饲料、冶金、涂料、选矿、消毒剂的制造等工业中也被广泛使用[2]。
此外，一氧化锰作为一种过渡金属氧化物具有较高的理论容量和首次充放电容的特点，所以一氧化锰被用作锂离子电池负极材料很有发展前景。MnO的充电电位平台只1. 2 V，而常见的金属氧化物材料CoO(1. 8 V) 、Fe2O3 ( 1. 6 V) 、 CuO(2. 1 V)、Fe3 O4 (1. 7 V) 和NiO(1. 9 V) 等的电位都比MnO高，因此以一氧化锰作为锂电池负极材料比其他金属氧化物材料更有优势。一氧化锰的理论比容量为 755 mAh / g，而商业化石墨只有372 mAh / g，所以其具有较高的理论容量。然而过渡金属氧化物MnO 本身导电性差，有着首次循环库仑效率较低、循环性能较差和充放电容量较低的缺点 ，针对这些问题的主要解决方案主要有两种，一是提高锰氧化物混合材料的导电性，二是减少MnO颗粒在制备过程中的出现的团聚现象。加入一些导电性较好的碳材料可以解决整体材料的导电性，一些碳材料由于其本身就具有良好的形貌，在表面或内部负载一些小颗粒的活性材料，可以缓解体积变化而导致的小颗粒在循环过程中的团聚的作用。制备具有一定特征结构与形貌的纳米材料，这样就提高储锂能力、增加了材料的导电性并防止材料在循环过程的团聚与粉化，可以解决循环过程中粉化和团聚的问题，从而增大了活性物质与导电材料的接触面积。
1.2 一氧化锰的制备工艺
生产一氧化锰的主要原料是大多数高品位的氧化锰矿(Mn>40%)，而高品位矿物大多数分布在南非、乌克兰、印度、巴西、澳大利亚等国[2]。我国累计锰矿储量仅次于南非、乌克兰和加蓬，居世界第四位，但锰矿资源主要都是低品位矿。低品位的氧化锰矿由于杂质含量比较高、颗粒细小、物质组份复杂等原因，所以开发利用较困难。
目前，一氧化锰制备工艺根据流程的不同，大致可以归纳为两大类：还原焙烧法和直接还原浸出法。直接还原浸出法不需要高温焙烧的过程，可以有效地简化工艺、节约能源，是一氧化锰制备工艺的重要的研究方向。但是，这种方法由于无法满足大规模工业化生产的需求和得到浸渣杂质较多等缺点，显然存在一定的局限性，而还原焙烧法因为其成熟的工艺和满足大规模生产的优点得到了广泛的应用。
1.2.1 煤还原焙烧
煤还原焙烧法最传统的制备一氧化锰的方法，同时在工业中也应用最多，此法是将氧化锰矿与煤粉以质量5:1的比例混合，在 700 ℃ 到 1000 ℃下，将矿物中的四价锰还原成二价，生成一氧化锰。在真空条件下冷却至室温，利用稀硫酸进行酸解，控制pH≤5.2，通过过滤来除去其它不溶于酸的杂质，通过静置可以进一步将钙杂质除掉。最终得到的硫酸锰精滤液经过蒸发结晶、离心操作、干燥处理，最后得到了高纯度的硫酸锰产品，实现将锰从矿物中提取出来[4]。主要反应方程式为：
目 录
第一章 绪论 1
1.1 一氧化锰的性质与用途 1
1.2 一氧化锰的制备工艺 2
1.2.1 煤还原焙烧 2
1.2.2 两矿焙烧法 4
1.2.3 直接还原浸出法 4
1.2.4 生物质热解法 6
1.3 选题背景 6
1.4 一氧化锰的应用前景 9
第二章 实验部分 10
2.1 实验原料与设备 10
2.1.1 实验原料 10
2.1.2 实验仪器和设备 10
2.2 实验内容 11
2.2.1 C与MnO2的混合物的差热分析 11
2.2.2 探究常压下不同反应温度对MnO2的还原产物的影响 11
2.2.3 探究真空还原焙烧对MnO2还原产物的影响 11
2.3 分析方法 13
2.3.1 热重/差热分析（TGA/DSC） 13
2.3.2 X粉末衍射（XRD） 13
2.3.3 扫描电镜(SEM) 13
2.3.4 能谱分析（EDS） 14
第三章 实验结果与讨论 15
3.1 C与MnO2混合物的热差分析 15
3.2 产品的物相分析 16
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.1 常压下MnO2的还原产物 16
3.2.2 真空还原焙烧温度不同时的还原产物 17
3.2.3 真空还原焙烧时间不同时的还原产物 18
3.2.4 真空度不同时的还原产物 20
3.2.5 C含量不同时的还原产物 21
3.2.6 小结 22
3.3 产物的形貌分析 22
第四章 结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 一氧化锰的性质与用途
一氧化锰作为最基础的锰氧化物，在常温下呈现为草绿色立方晶系粉末或八面体结晶，可用于生产其它高价锰的氧化物、电解锰以及其它金属锰盐的原料。一氧化锰具有较高熔点，为1650 ℃ ，且熔融不分解，在水中不溶解, 但可以溶于酸和氯化铵。一氧化锰在空气中受热极易氧化为其他高价氧化锰，遇到赤热的水蒸气中可被氧化成二氧化锰同时生成氢气，与硫共加热生成氧硫化锰和二氧化硫，但其比较难还原，氢气在1200 ℃的高温时都无法将其还原，碳也要在11001200 ℃时才能将其还原成金属锰。一氧化锰具有少量的毒性，过量的锰进入身体会损害中枢神经系统，尤其是锥体外系统。
锰及其氧化物在冶金、化工、轻工、电子材料、农牧等部门的应用越来越广泛[15]。众所周知，三氧化二锰可用作从废气中除去一氧化碳和氮氧化物的催化剂。同时，二氧化锰和四氧化三锰可以作为甲烷和一氧化碳的氧化或硝基苯的选择性还原的有效的催化剂。二氧化锰由于其具有优异的电化学性能，以及生产成本低、污染小和制备简单等优点，已认为在原电池、二次电池和电化学电容器的电极材料很有发展前景[1]。而一氧化锰在工业中被广泛使用，如生产戊醇和脂肪酸时需要使用一氧化锰作催化剂，制备铁氧体主要原料也是一氧化锰，同时在医药、饲料、冶金、涂料、选矿、消毒剂的制造等工业中也被广泛使用[2]。
此外，一氧化锰作为一种过渡金属氧化物具有较高的理论容量和首次充放电容的特点，所以一氧化锰被用作锂离子电池负极材料很有发展前景。MnO的充电电位平台只1. 2 V，而常见的金属氧化物材料CoO(1. 8 V) 、Fe2O3 ( 1. 6 V) 、 CuO(2. 1 V)、Fe3 O4 (1. 7 V) 和NiO(1. 9 V) 等的电位都比MnO高，因此以一氧化锰作为锂电池负极材料比其他金属氧化物材料更有优势。一氧化锰的理论比容量为 755 mAh / g，而商业化石墨只有372 mAh / g，所以其具有较高的理论容量。然而过渡金属氧化物MnO 本身导电性差，有着首次循环库仑效率较低、循环性能较差和充放电容量较低的缺点 ，针对这些问题的主要解决方案主要有两种，一是提高锰氧化物混合材料的导电性，二是减少MnO颗粒在制备过程中的出现的团聚现象。加入一些导电性较好的碳材料可以解决整体材料的导电性，一些碳材料由于其本身就具有良好的形貌，在表面或内部负载一些小颗粒的活性材料，可以缓解体积变化而导致的小颗粒在循环过程中的团聚的作用。制备具有一定特征结构与形貌的纳米材料，这样就提高储锂能力、增加了材料的导电性并防止材料在循环过程的团聚与粉化，可以解决循环过程中粉化和团聚的问题，从而增大了活性物质与导电材料的接触面积。
1.2 一氧化锰的制备工艺
生产一氧化锰的主要原料是大多数高品位的氧化锰矿(Mn>40%)，而高品位矿物大多数分布在南非、乌克兰、印度、巴西、澳大利亚等国[2]。我国累计锰矿储量仅次于南非、乌克兰和加蓬，居世界第四位，但锰矿资源主要都是低品位矿。低品位的氧化锰矿由于杂质含量比较高、颗粒细小、物质组份复杂等原因，所以开发利用较困难。
目前，一氧化锰制备工艺根据流程的不同，大致可以归纳为两大类：还原焙烧法和直接还原浸出法。直接还原浸出法不需要高温焙烧的过程，可以有效地简化工艺、节约能源，是一氧化锰制备工艺的重要的研究方向。但是，这种方法由于无法满足大规模工业化生产的需求和得到浸渣杂质较多等缺点，显然存在一定的局限性，而还原焙烧法因为其成熟的工艺和满足大规模生产的优点得到了广泛的应用。
1.2.1 煤还原焙烧
煤还原焙烧法最传统的制备一氧化锰的方法，同时在工业中也应用最多，此法是将氧化锰矿与煤粉以质量5:1的比例混合，在 700 ℃ 到 1000 ℃下，将矿物中的四价锰还原成二价，生成一氧化锰。在真空条件下冷却至室温，利用稀硫酸进行酸解，控制pH≤5.2，通过过滤来除去其它不溶于酸的杂质，通过静置可以进一步将钙杂质除掉。最终得到的硫酸锰精滤液经过蒸发结晶、离心操作、干燥处理，最后得到了高纯度的硫酸锰产品，实现将锰从矿物中提取出来[4]。主要反应方程式为：
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