ACS Nano：山大張人杰組“吹出”超薄中空MnO2 納米氣球

材料牛注：近期，膠體與界面化學教育部重點實驗室張人杰課題組在國際著名期刊ACS Nano上報道了一種神奇的制備納米級的氣球的方法。他們利用一種簡單方法——一步吹氣原位合成法，制備出一種超薄的MnO₂納米氣球。同時，它對有機染料甲基藍表現出十分優異的催化降解性能。

MnO₂由于其優異的物理化學性能廣泛應用于催化、超級電容器、水處理以及分子篩等領域。不同形貌的MnO₂具有不同的性能。不同維度的MnO₂顆粒都有報道，而就其催化性能而言，直徑在1微米，殼厚為0.1微米的MnO₂中空微球（MnO₂ hollow microspheres， MHS）比MnO₂納米線要好。有報道指出，殼厚度為幾個納米的超薄中空納米金球或硅微球-具備更優異的催化性能。在這樣的背景下，研究人員設想直徑在幾十納米，殼層厚度在幾納米左右的MnO₂中空微球的催化性能相比微米級別的MnO₂中空微球應該更加優異。

受限于目前的MHS合成工藝，當前報道的MHS粒徑一般在百納米到數毫米之間，殼層厚度往往在數微米到數百納米之間。其中，利用模板法合成MHS的殼層厚度極限在70nm。

眾所周知，在氧化石墨烯被還原成石墨烯的過程中會釋放水蒸氣和CO₂這兩種氣體，其中利用經典的Hummers法合成氧化石墨烯時，需要用到KMnO₄作為氧化劑， KMnO₄被還原生成MnO₂。于是一個瘋狂的想法產生了，那就是利用氧化還原過程中產生的CO₂氣體，使用用“一步吹氣原位合成法”（具體原理如下圖所示）改變MnO₂晶粒的生長過程，從而像吹氣球一樣“吹出”超薄MnO₂中空納米氣球（Utralthin MnO₂ Hollow Nanoballoons，UMHNBs）。

圖文導讀：

圖一： UMHNBs形成過程原理圖

（a）氧化石墨烯；（b）MnO₂晶種在氧化石墨烯基面上形成；（c）MnO₂晶粒在氧化石墨烯基面上形成；（d）MnO₂晶粒在氧化石墨烯基面上長大；（e）CO₂將MnO₂晶粒“吹開”；（f）UMHNBs形成。

圖二： 經不同干燥方法后，MnO₂的形貌和粒徑表征分析。

冷凍干燥法:（a）TEM圖像；（b）SEM圖像；（c）從KMnO₄中通過一步法得到的UMHNBs高倍AFM圖像以及選區分析圖譜。鼓風干燥法：（d）TEM圖像；（e）SEM圖；（f）AFM高倍照片和選區分析。

圖三：UMHNBs圖譜分析

（a）XRD圖；（b）Mn2p軌道XPS圖；（c）O1s軌道XPS圖；（d）紫外可見吸收光譜（UV-vis）；（e）傅里葉轉換紅外吸收光譜（FTIR）；（f）拉曼光譜（Raman Spectroscopic）。

圖四： UMHNBs對H₂O₂氧化甲基藍（MB）過程的催化性能測試結果

（a）UMHNBs和H₂O₂同時存在的條件下，對400.0 mg/L濃度的MB在不同時間下的催化性能對比；（b）不同情況下MB的分解情況，包括MB +UMHNBs + H₂O混合條件和MB + H₂O₂ + H₂O條件；（c）UMHNBs對MB的靜電吸附過程示意圖以及H₂O₂通過UMHNBs的催化氧化MB的相關反應過程示意圖。

該成果近期發表在ACS Nano上，文獻鏈接：Inflating Strategy To Form Ultrathin Hollow MnO2 Nanoballoons（DOI: 10.1021/acsnano.6b01229）

本文由材料人編輯部學術組 Carbon 供稿，材料牛編輯整理。

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