题目：氧化锰纳米材料的可控制备及其电化学性能

氧化锰纳米材料由于其低廉的价格和优异的电化学性能而在锂二次电池正极材料及超级电容器电极材料等领域得到了开发和应用。本论文采用水热处理及溶胶-凝胶等技术制备了一系列不同晶相和形貌的氧化锰纳米材料，并进行了所制备材料的电容性能或电池性能研究，论文的主要研究工作如下：
采用二氧化硅球为模板、高锰酸钾为锰源，在150 °C条件下水热反应48小时，制备了具有核壳结构的二氧化硅/氧化锰复合纳米球；用氢氧化钠溶液溶解二氧化硅/氧化锰复合纳米球中的二氧化硅模板，成功制备了具有分级结构的氧化锰纳米空心球材料。本工作中氧化锰纳米空心球的制备开辟了层状氧化锰介孔纳米材料制备新途径。通过研究水热反应温度、反应时间以及模板与锰源的比例对产物晶相和形貌的影响，发现在Si：Mn = 3，150 °C 水热处理48小时的条件下，能够制备出均匀的单分散氧化锰纳米空心球。该氧化锰纳米空心球结构中主要存在介孔，比表面积为253 m2/g。循环伏安测试结果表明，制备的氧化锰纳米空心球材料具有较大的比电容量和良好的循环稳定性。在5 mV/s的扫描速度下，其初次循环电容量为299 F/g，经过1000次循环后的电容量仅衰减了2.4%，是较为理想的超级电容器电极材料。
采用K-Birnessite层状氧化锰为前躯体，在6.0 mol/L氢氧化钠溶液中150 °C水热反应30小时，成功制备了一维层状氧化锰纳米线束材料。该氧化锰纳米线束材料形貌规则均一，直径在20~50 nm之间，长度大于50 mm。该一维氧化锰纳米线束的形成遵循溶解-重结晶的过程。水热体系中适当的温度和压力促使前躯体 K-Birnessite氧化锰片层溶解，并沿 [100]方向快速生长形成一维结构。水热体系中大量存在的 Na+ 离子是氧化锰维持层状结构的主要原因。水热反应温度和氢氧化钠溶液的浓度对水热制备产物晶相和形貌有一定影响。表面性质测试结果表明，该氧化锰一维材料具有介孔性质，平均孔径为15.4 nm，比表面积为160 m2/g。循环伏安测试结果表明，该氧化锰纳米线束材料在1 mol/L的Na2SO4溶液中具有较大的比电容量和良好的循环稳定性。在扫描速度为10 mV/s的条件下，1000次循环后的比电容量为222 F/g，与初次循环比电容量相比增大了约7.2%。该制备方法开辟了大比表面积氧化锰一维纳米材料制备的新途径，所制备的一维层状氧化锰纳米线束材料在超级电容器电极材料领域显示出了较大的应用潜力。
对Birnessite氧化锰纳米线束的制备条件进行了优化，开展了所制备材料作为锂二次电池正极材料的充放电性能研究。Birnessite型氧化锰纳米线束可在浓度为6.0 mol/L的氢氧化钠溶液中反应得到，而在较高或较低浓度的氢氧化钠溶液中均无法得到形貌均匀的Birnessite型氧化锰纳米线束。制备的氧化锰纳米线束作为锂二次电池正极材料，显示了较高的初始放电容量和良好的循环稳定性。20 mA/g电流密度条件下的初始放电容量为376 mAh/g，50次循环后的放电容量仍高达243 mAh/g；即使在高电流密度下该氧化锰纳米线束仍表现出了良好的充放电性能。不同水热温度下制备产物的充放电测试结果表明，较高水热反应温度不利于提高所得氧化锰纳米线束的电池性能。
采用低温水热制备技术制备了单一晶相 Li2MnO3 纳米材料，并分别考察了水热反应温度、水热反应时间和氢氧化锂溶液浓度对制备产物晶型和形貌的影响。前躯体K-Birnessite层状氧化锰在0.35 mol/L氢氧化锂溶液中150 °C水热反应12小时，即可得到 Li2MnO3 纳米材料。该锂锰氧化物电化学性能测试结果表明，在200 mA/g的电流密度条件下，制备产物的初始放电容量为83 mAh/g，与初始容量相比，充放电循环50次后的放电容量有增大趋势。在500和1000 mA/g的大电流密度下，所制备材料仍表现出了较高的放电容量，50次循环后的可逆放电容量分别为62.0和59 mAh/g。制备产物中低价锰的存在是该Li2MnO3材料表现出良好电池性能的主要原因。
以高锰酸钾、氢氧化锂和葡萄糖作为起始反应物，采用溶胶-凝胶辅助于低温焙烧技术，制备了Li2MnO3晶相锂锰氧化物。反应物中当Li/Mn摩尔比大于或等于3的条件下，通过溶胶-凝胶过程辅以400 °C条件下2 小时焙烧处理，可制备出具有小片层形貌的Li2MnO3 产物。不同锂源对于制备产物的晶相、形貌及电池性能具有一定的影响。LiOH·H2O作为锂源制备的 Li2MnO3 产物在100、200和500 mA/g的电流密度下均表现出了较高的放电容量和较好的循环稳定性，显示出该材料在电池材料领域的应用前景。