过渡金属元素M（M=Fe、Co、Ni）掺杂ZnMn2O4纳米晶体的合成及性能研究

By adopting hydrothermal and oil bath methods, through parameter optimization including control of type and addition of organic templates, concentration and type of reactants, reaction time and temperature, the controllable synthesis of various transition metal M (M=Fe、Co、Ni) doped ZnMn2O4 spinel nanocrystals will be realized by using acetyl acetone zinc, acetyl acetone manganese and metal M (M=Fe、Co、Ni) chloride as starting materials.The morphologies, size, atomic ratio of Zn/Mn, variety and concentration of doping metals, microstructures, oxygen reduction activity and phtocatalytic properties of the as-prepared nanocrystals will be characterized in detail. Through systematically optimizing the synthetic process and studying the doping mechanism, controllable doping of various transition metal ions M2+ and M3+ (M=Fe、Co、Ni) in Zn2+ and Mn3+ positions of ZnMn2O4 nanocrystals will be realized. Moreover, inherent laws of the microstructure of nanocrystals, variety and concentration of doping metals, atomic ratio of Zn/Mn, oxygen reduction activity and photocatalytic properties will be obtained. These research results will broaden the understanding on the ZnMn2O4 nanocrystals and further increase the application value of the ZnMn2O4 nanocrystals in science and technology fields.

本项目采用水热和油浴合成法，以乙酰丙酮锌、乙酰丙酮锰以及过渡金属M（M=Fe、Co、Ni）氯化物为初始反应物，通过控制有机模板剂的种类与加入量、反应物的浓度与种类、反应时间和温度，可控合成过渡金属M（M=Fe、Co、Ni）掺杂的ZnMn2O4正尖晶石型纳米晶体，并全面表征这些纳米晶体的形貌、尺寸、锌/锰原子比、掺杂金属的种类与浓度、纳米晶的微观结构、氧还原活性以及光催化特性。进一步优化合成工艺，研究掺杂机理，实现多种过渡金属离子M2+和M3+（M=Fe、Co、Ni）分别在ZnMn2O4纳米晶体Zn2+位和Mn3+位可控掺杂，获得纳米晶的微观结构、掺杂金属的种类与浓度、锌/锰原子比与氧还原活性以及光催化特性之间的内在规律，拓宽人们对ZnMn2O4纳米晶体的认识，提高其在科学技术领域的应用价值。

项目已通过以下三个方面来研究与调控ZnMn2O4基材料的氧化还原活性和光催化特性：通过改变Zn/Mn离子比来调控ZnMn2O4晶体结构；合成多种新颖的ZnMn2O4的纳米结构，从而获得更高的活性比表面积；将过渡金属离子M2+或M3+（M=Fe、Co、Ni）掺杂至ZnMn2O4尖晶石结构中的Zn2+位或Mn3+位。系统研究化学组分、晶体结构、尺寸、形貌可调的ZnMn2O4纳米结构以及过渡金属离子M2+或M3+（M=Fe、Co、Ni）掺杂ZnMn2O4纳米结构的可控生长工艺，研究ZnMn2O4纳米晶的化学组分、显微结构、掺杂过渡金属离子种类和浓度与其氧化还原活性及光催化特性之间的关系，已实现催化功能设计与结构设计之间的统一。本项目研究成果可以拓宽人们对ZnMn2O4纳米晶的认识，提高其在科学技术领域的应用价值，从而获得多项具有原始创新性和重要学术价值的研究成果。