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 * = a
2p
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].