Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАРГАНЦА В МИКРО И НАНОСТРУКТУРАХ

Тянь И.-. 1 Ван Ш.-. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Статья посвящена сравнительному анализу Mn в обоих микро- и наноструктур: типа и параметр решетки прямая типа ОЦК, обратная типа ГЦК. Показано, что кристалл марганца имеет поверхность Ферми , реальная поверхность Ферми имеет не сферическую форму и свойства Mn в микро- и наноструктуры существенно отличаются. При рассматриваемом размере наноструктуры Mn (размер которой лежит в диапазоне от 20 до 30 нм) основное влияние на изменение свойств Mn оказывает классический размерный эффект. Эти результаты были подтверждены путем сравнения размера порошка Mn с длиной волны де Бройля электрона в наноструктуры Mn. Физические причины изменены в свойствах наноструктуры никеля. В конце описывается технология получения и анализируется влияние материалов марганца на окружающую среду. Различные морфологии наноматериалов оксида марганца обладают многими особыми физико-химическими свойствами, которые показывают их широкие перспективы применения в каталитических материалах, катодных материалах для литиево-ионных вторичных батарей и новых магнитных материалов. С быстрым развитием современного общества экологические проблемы все больше привлекают внимание.Разработка наномагнетических марганцевых материалов является хорошим способом решения этих проблем.
тип решетки и параметры марганца
зона Бриллюэна
поверхность Ферми
классический размерный эффект
Нанопорошок
зона бриллюэна.
1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
2. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 647. — 671 с. — 100 000 экз. В.В. Еремин и др. Химия. 10 класс. Профильный уровень. — Москва: Дрофа, 2008. — С. 166. — 463 с. — 7000 экз. — ISBN 978-5-358-01584-5.
3. Kittel, Charles (1996). Introduction to Solid State Physics. New York City: Wiley. ISBN 0-471-14286-7
4. Physical Material: Textbook for high schools: The 6 th ed. B. А. Каlynа. – М.: МIFI, 2007.
5. O.N. Azarenkov, A.A. Veryovkin, G.P. Kovtun. Kosovo nanotechnologies and nanomaterials, - 2009 – 69p.
6. DuanYuping, Ms He, Li Xiaogang, et. al. Themicrowave electro-magnetic characteristics of manganese dioxide with different crystal-lographic structure [J].Physica B,2012,405:1826-1831.
7. Composite Manganese Oxide Percolating Networks As a Suspension Electrode for an Asymmetric Flow Capacitor in ACS Applied Materials & Interfaces 6(11) • April
8. Preparation of Manganese Oxide Nanobelts[J];Journal of Materials Science & Technology

Введение

Марганец — элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum, манганум, в составе формул по-русски читается как марганец, например, KMnO4 — калий марганец о четыре). Простое вещество марганец — металл серебристо-белого цвета. Наряду с железом и его сплавами относится к чёрным металлам. Известны пять аллотропных модификаций марганца — четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой.

Тип решетки и параметры марганца

Марганец — элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 25.Обозначается символом Mn. Простое вещество марганец — металл серебристо-белого цвета[1]. Наряду с железом и его сплавами относится к чёрным металлам. Известны пять аллотропных модификаций марганца — четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой[2].

Прямой: ОЦК

Рис1.Прямаяобъёмно-центрированная кубическая (ОЦК) решетка марганца. Прямая решетка с периодом a = 0. 89125 нм.

Обратной: ГЦК

Рис. 2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка Марганца. Обратная решетка

Марганца(ГЦК) с параметром a * = a2p

Рис. 3. Параметры решетки Марганец

Зона Бриллюэна и поверхность Ферми

В физике твердого тела первая зона Бриллюэна представляет собой однозначно определенную примитивную ячейку в обратном пространстве. Точно так же решетка Браве разделяется на ячейки Вигнера-Зейтца в реальной решетке, обратная решетка разбивается на зоны Бриллюэна[3]. Первая зона Бриллюэна марганец показана на рис.1.

Рис 4. зона Бриллюэн

Кристалл марганца имеет поверхность Ферми как показано на рис 2. В большинстве случаев находясь внутри представляющей собой многогранник зоны Бриллюэна, реальная поверхность Ферми имеет не сферическую форму, которую имеет идеальная поверхность Ферми [4].

Рис 5. Поверхность Ферми внутри зоны Бриллюэна

Знание формы поверхности Ферми играет важную роль во всей физике металлов и вырожденных полупроводников, так как благодаря вырожденности электронного газа транспортные свойства его, такие как проводимость, магнетосопротивление зависят только от электронов вблизи поверхности Ферми.

В теории твердого тела энергия Ферми является одним из нескольких важных параметров кристалла. Энергия Ферми cчитаеться последующей формуле:

, при температуре T = 0 К.

, при T > 0 К (T = 300К).

Концентрация электронов проводимости , где Z – число валентных электронов одного атома марганца, ρ – плотность металла марганца, M – молярная масса марганца.

Свойств Марганца в микро и наноструктурах

Таблица свойств Марганца в макро и наноструктурах. В таблице 1 представлено сравнение свойстваМарганца в макро и наноструктурах.

Таблица 1. Свойств Марганца в макро и наноструктурах

Свойства

Макро

Нано

Размер

(нм)

Вид наномодериала

Плотность, г/см3

7.44

7.5

30

Порошок

Температура плавления, К

1517

1223

1273

30

20

Порошок

Температура кипения, К

2235

1773

1873

30

20

Порошок

Теплоемкость, J /(mol• K)

26.32

     

Электросопротивление

1,55

     

 

Согласно таблице плотность марганца в наноструктуре почти такая же, как плотность микроструктуры, но плотность наноструктуры несколько меньше плотности микроструктуры. Температура плавления и температура кипения микроскопических и наноструктур различны. Температура плавления наноструктур намного меньше точки плавления микроструктуры, нанометрический марганец размером 20 нм имеет температуру плавления, немного превышающую температуру нанометрового марганца 30 нм, а нанометровый марганец размером 20 нм имеет точку кипения, немного меньшую, чем нанометровая марганца на 30 нм.

Размерный Эффект

Появления необычных свойств наносистем вызываютклассический, или квантовый размерный эффект[5]. Если геометрический размер наноструктуры соизмерим с длиной свободного пробега носителей заряда, проявляется классический размерный эффект; если геометрический размер наноструктуры соизмерим с длиной волны де Бройля электрона, проявляется квантовый размерный эффект.

В наноструктурев атоме марганца, скорость движения электрона v =, масса электрона m = 9.1 × 10-31 кг, то длина волны де Бройля

Порошок марганца размером D порядка 20 нм, очевидно из расчета, что λ << D. Так как длина волны де Бройля значительно меньше размеров наночастиц марганца, классический размерный эффект и приповерхностная зона оказывают основное влияние на изменение свойств нанопорошка марганца по сравнению с микроструктурой.

Технология получения

Оксиды марганца часто используются для изготовления наноматериалов, таких как двуокись марганца. Диоксид нано-марганца широко изучен как экологически чистый катализатор. Способы синтеза в основном включают гидротермический метод, метод твердофазного синтеза, золь-гель-метод, метод электрохимического осаждения и метод совместного осаждения. Различные способы получения оказывают различное влияние на распределение частиц по размерам, размер зерна и кристаллическую трансформацию диоксида марганца. Свойства, структура и морфология наномарганцевого диоксида имеют большую связь с методами приготовления и условиями приготовления. Для синтеза специфической структуры, морфологии и размера нанометрового диоксида марганца, необходимого для фактического производства или эксперимента, имеет большое практическое значение изучение метода синтеза нанометрового диоксида марганца.

В настоящее время одним из основных способов получения наноразмерногооксиды марганцаявляется гидротермальная подготовка нанометрового диоксида марганца.

Получение нанометрового диоксида марганца гидротермальным способом относится к способу формирования нанометрового диоксида марганца при высокой температуре и высоком давлении путем приготовления раствора в определенном соотношении в водном растворе. В гидротермальных условиях растворимость растворенных ионов возрастает, а активность ионов увеличивается, что позволяет осаждаться и перекристаллизовываться, зарождаться и растираться. Диоксид наномарганца, полученный гидротермальным методом, обладает высокой чистотой, хорошей диспергируемостью и легкостью получения контролируемых морфологических наночастиц[6][7].

Рис.6 распределение пор по размерам для гидротермальной и комнатной температуры синтезированного оксида марганца.

Применение

Ресурсы марганца изобилуют ресурсами, низкими ценами, экологически чистыми и нетоксичными, а марганцевые материалы стали горячей точкой в последние годы. Однако обычные материалымарганцаимеют большой размер частиц, небольшую удельную площадь поверхности и несколько активных центров, которые ограничивают их химические свойства. Разработка наномагнетических марганцевых материалов является хорошим способом решения этих проблем.

Различные морфологии наноматериалов оксида марганца обладают многими особыми физико-химическими свойствами, которые показывают их широкие перспективы применения в каталитических материалах, катодных материалах для литиево-ионных вторичных батарей и новых магнитных материалов. С быстрым развитием современного общества экологические проблемы все больше привлекают внимание. Также актуальной темой исследования является применение характеристик наноматериалов для каталитической деградации загрязнителей окружающей среды[8].


Библиографическая ссылка

Тянь И.-., Ван Ш.-. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАРГАНЦА В МИКРО И НАНОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=19382 (дата обращения: 20.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252