一种基于等离子体的二氧化锰电极材料、制备方法和应用

本发明属于锰电极材料制备及废水处理领域，尤其涉及一种基于等离子体的二氧化锰电极材料、制备方法和应用。

背景技术：

1、长期以来，重金属污染已成为威胁人类健康和水生生态的最严重的环境问题之一。而作为一种近年来被重点关注的剧毒重金属，铊(tl)对成人的致死剂量极低，其毒性远远超过hg、as、cd、pb等传统重金属。且由于tl+的高迁移能力，在含tl矿产资源的利用过程中很容易被意外释放到水中，造成严重的铊污染事件。因此，水体中铊的污染亟待解决。在众多处理技术中，电容去离子技术因具有能效高、环境友好、投资成本低的优点，成为了一种很有潜力的水处理技术，被人们广泛研究。

2、mno2不仅价格低廉、资源丰富、理论比容量高，并且与nio、co3o4等过渡金属氧化物相比具有较宽的电压窗口(1v左右)，有利于获得更高的能量密度，是目前电极材料的研究热点。但随着研究的深入，人们发现由于其相对较差的离子(10-13scm-1)和电子导电性(10-5-10-6scm-1)，mno2的倍率性能不理想，且实际测量容量值与理论值有一定差距，从而限制了该材料的实际应用。当其进行电化学行为时，过程中可能发生的活性材料溶解、本征电导率低、不可逆相变和结构崩塌等问题，从而导致锰在电化学反应过程中大量溶出。

3、鉴于此，有必要提供一种基于等离子体的二氧化锰电极材料、制备方法和应用，以解决或至少缓解上述锰在电化学反应过程中大量溶出的技术缺陷。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种基于等离子体的二氧化锰电极材料、制备方法和应用，旨在解决或至少缓解上述锰在电化学反应过程中大量溶出的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于等离子体的二氧化锰电极材料的制备方法，包括步骤：

3、s1，获取含高锰酸钾和还原剂的混合液；

4、s2，将所述混合液进行水热处理，并将所述水热处理的产物固液分离，得中间材料；

5、所述水热处理的温度为90～145℃，所述水热处理的时长为6～24h；

6、s3，对所述中间材料进行等离子体处理，得二氧化锰电极材料；所述等离子体处理的气源为惰性气体。

7、进一步地，所述还原剂包括草酸铵、硫酸锰、盐酸、硫酸中的一种或多种。

8、进一步地，所述高锰酸钾和所述还原剂的摩尔比为2:1～6:1；

9、所述混合液的获取过程包括：将所述高锰酸钾和所述还原剂在水体中混合，得所述混合液；所述高锰酸钾和所述混合液的质量体积比为0.3g:45ml～0.5g:45ml。

10、进一步地，所述等离子处理的时长为0.5～3.5min或6.5～7.5min。

11、进一步地，所述等离子体处理的电压为15～45v，所述等离子体处理的电流≤3a。

12、本发明还提供了一种基于等离子体的二氧化锰电极材料，采用如上述任意所述的制备方法进行制备。

13、本发明还提供了一种如上述任意所述的二氧化锰电极材料在电吸附除铊中的应用。

14、本发明还提供了一种电吸附除铊的方法，包括：将涂覆有如上述任意所述二氧化锰电极材料的基体材料作为电容去离子装置的阳极和阴极，或将涂覆有如上述任意所述二氧化锰电极材料的基体材料作为电容去离子装置的阴极；

15、然后，在外加电场下采用所述电容去离子装置处理含铊溶液。

16、进一步地，所述含铊溶液中铊离子的浓度为0.05～600mg/l。

17、进一步地，所述含铊溶液的ph为3～11；

18、所述外加电场的电压为0.4～1.2v，所述外加电场的施加时长为0.5～4h。

19、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

20、本发明可以在确保铊去除率的基础上，降低锰溶出率，从而提升电极材料的循环性能；本发明技术方案的关键在于利用等离子体改性处理时产生电子、离子、光子、激发态粒子等对材料表面进行轰击并发生复杂的物理化学反应，改善材料的物理特性以及表面化学性能，从而提高二氧化锰的稳定性、增加表面缺陷，使其在电吸附除铊的过程中具备高效稳定的特性。

21、具体地，本发明将高锰酸钾和还原剂进行水热反应得到了可以进行改性的二氧化锰，然后利用低温等离子体处理，改变了材料的物理和表面化学特性，使二氧化锰表面产生了表面缺陷，让其有了更多氧空位和活性位点，提升二氧化锰材料的本征特性，克服了其在电化学行为中结构易坍塌、本征电导率低和循环差的缺陷，同时提升了对铊的吸附性能。相较于传统方法，本发明更加的高效，快速和干净，具有重要的经济和环保意义，应用前景广泛。

技术特征：

1.一种基于等离子体的二氧化锰电极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂包括草酸铵、硫酸锰、盐酸、硫酸中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高锰酸钾和所述还原剂的摩尔比为2:1～6:1；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述等离子处理的时长为0.5～3.5min或6.5～7.5min。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体处理的电压为15～45v，所述等离子体处理的电流≤3a。

6.一种基于等离子体的二氧化锰电极材料，其特征在于，采用如权利要求1-5任意一项所述的制备方法进行制备。

7.一种如权利要求6所述的二氧化锰电极材料在电吸附除铊中的应用。

8.一种电吸附除铊的方法，其特征在于，包括：将涂覆有如权利要求6所述二氧化锰电极材料的基体材料作为电容去离子装置的阳极和阴极，或将涂覆有如权利要求6所述二氧化锰电极材料的基体材料作为电容去离子装置的阴极；

9.根据权利要求8所述的电吸附除铊的方法，其特征在于，所述含铊溶液中铊离子的浓度为0.05～600mg/l。

10.根据权利要求8所述的电吸附除铊的方法，其特征在于，所述含铊溶液的ph为3～11；

技术总结
本发明提供了一种基于等离子体的二氧化锰电极材料、制备方法和应用；所述制备方法包括步骤：S1，获取含高锰酸钾和还原剂的混合液；S2，将所述混合液进行水热处理，并将所述水热处理的产物固液分离，得中间材料；所述水热处理的温度为90～145℃，所述水热处理的时长为6～24h；S3，对所述中间材料进行等离子体处理，得二氧化锰电极材料；所述等离子体处理的气源为惰性气体。本发明可以在确保铊去除率的基础上，降低锰溶出率，从而提升电极材料的循环性能。

技术研发人员：孙竹梅,王云燕,白红娟,童天星,晋日亚,许欢,闵小波,彭俊,张海龙,柯勇
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/9