納米氧化鋅的制備技及其表征

化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：納米ZnO的制備及其表征年級(jí)：09級(jí)材料化學(xué) 日期：2011-9-21姓名： 學(xué)號(hào)： 同組人：一、預(yù)習(xí)部分1、 納米氧化鋅：納米氧化鋅是指晶粒尺寸在1?100nm之間的氧化鋅微粒，由于粒子尺寸小、比表面大使其具有一般粒度的氧化鋅所不具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)等，所以納米氧化鋅在紫外線屏蔽、抗菌除臭、橡膠工業(yè)、涂料工業(yè)、光催化材料、氣敏、壓電材料、吸波材料等方面有許多優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能。2、 納米氧化鋅的制備：制備納米氧化鋅的方法很多，一般可以分為物理法和化學(xué)法。物理法是利用特殊的粉碎技術(shù)，將普通的粉體粉碎；化學(xué)法是在控制條件下，從原子或分子的成核，生成或凝聚成具有一定尺寸和形狀的粒子。常見的合成方法有固相法、液相法和氣相法，其中，液相法和氣相法又有多種制備方式。固相法：室溫固相合成納米氧化物是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新方法。首先制備固相前驅(qū)物，進(jìn)而前驅(qū)物經(jīng)高溫?zé)岱纸饣蛭⒉ㄝ椛錈岱纸庵苽浼{米氧化鋅。（1）碳酸鋅法：利用硫酸鋅制得前驅(qū)物碳酸鋅，在200^烘1h，得納米氧化鋅初產(chǎn)品；經(jīng)去離子水、無(wú)水乙醇洗滌，過(guò)濾、干燥可得納米氧化鋅產(chǎn)品。（2）氫氧化鋅法：利用硝酸鋅制得前驅(qū)物氫氧化鋅，在600°C保持2h，高溫?zé)岱纸獾眉{米氧化鋅。氣相法：（1）化學(xué)氣相氧化法:化學(xué)氣相氧化法是Mitarai等以鋅粉為原料，氧氣為氧源，在550C的高溫下，以氧氣為載體進(jìn)行氧化反應(yīng)。該法制備的氧化鋅粒度細(xì)（10?20nm），原料易得，分散性好。但產(chǎn)品純度低，其中含有未反應(yīng)的原料。（2） 激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉淀法：利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)激光的吸收，引起氣體分子激光光解，熱解，光敏化和激光誘導(dǎo)化學(xué)合成反應(yīng)，在一定條件下合成納米粒子。它以惰性氣體為載體，以鋅鹽為原料，用cwco2激光器為熱源加熱反應(yīng)原料，使之與氧氣反應(yīng)得到納米氧化鋅。激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉淀法具有能量轉(zhuǎn)換效率高，粒子大小均一且不團(tuán)聚，粒徑小，可精確控制等優(yōu)點(diǎn)，但成本高，產(chǎn)率低，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。（3） 噴霧熱解法：利用噴霧熱解技術(shù)，以二水合醋酸鋅水溶液為前驅(qū)體，水溶液經(jīng)霧化為氣溶膠微液滴，液滴在反應(yīng)器中經(jīng)蒸發(fā)，干燥，熱解，燒結(jié)等過(guò)程制備氧化鋅納米粒子。粒子由袋粒式過(guò)濾器收集，尾氣經(jīng)凈化排空。該法制得的產(chǎn)物純度高，粒度和組成均勻，過(guò)程簡(jiǎn)單連續(xù)，頗具工業(yè)潛力。液相法：（1）直接沉淀法：在可溶性鋅鹽中加入沉淀劑后，當(dāng)溶液離子的溶度積超過(guò)沉淀化合物的溶度積時(shí)，即有沉淀從溶液中析出。沉淀經(jīng)、熱解得到納米氧化鋅。常見的沉淀劑為氨水（NH3?H2O）。碳酸銨（（NH4）2CO3）和草酸銨（（NH4）2C2O4）不同的沉淀劑，其反生成的沉淀產(chǎn)物也不同，故其分解溫度也不同。此法的操作較為簡(jiǎn)單易行，對(duì)設(shè)備要求不高，成本較低，但粒度分布較寬，分散性差，洗滌愿溶液中的陰離子較困難。（2） 均勻沉淀法：利用沉淀劑的緩慢分解，與溶液中的構(gòu)晶離子結(jié)合，從而使沉淀緩慢均勻的生成。常用的均勻沉淀劑有尿素和六次甲基四胺。此法可避免共沉淀，克服沉淀劑所造成的局部不均的現(xiàn)象，可獲得粒度、分子形貌和化學(xué)組成都均一的納米氧化鋅。因氫氧化鋅具有兩性，必須將PH值維持在狹小的范圍內(nèi)。因此不能用控制銨離子和氨的比值來(lái)減少共沉淀。（3） 溶膠凝膠法：以乙酸鋅等金屬酸鹽或醇鹽為原料，在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行水解、縮聚反應(yīng)，使溶液經(jīng)溶膠凝膠化過(guò)程得到凝膠，凝膠經(jīng)干燥、煅燒成粉體。溶液的dH值、溶液的濃度、反應(yīng)時(shí)間和溫度是影響溶膠、凝膠質(zhì)量的主要因素。該法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、污染小、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)物均勻度高、分散性好，純度高，反應(yīng)過(guò)程易控制，但原料成本昂貴，在高溫下進(jìn)行熱處理時(shí)有團(tuán)聚現(xiàn)象。（4） 微乳液法（反相膠束法）本法是利用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成均勻的乳液，劑量小的溶劑被包裹在劑量大的溶劑中形成一個(gè)微泡，微泡的表面被表面活性劑所包裹。近年來(lái)用W/O型微乳液制備超細(xì)粉體得以流行。它是由水、（有油機(jī)溶劑）、表面活性劑及其助劑組成的透明、半透明的、各相同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系，其中水被表面活性劑及其助劑單層包裹形成“微乳液”，被稱為反應(yīng)介質(zhì)，稱其為“微型反應(yīng)器”，通過(guò)“微水池”的尺寸來(lái)控制粉體的大小，制備納米物質(zhì)。制備技術(shù)的關(guān)鍵是制備微觀尺寸均勻、可控、穩(wěn)定的微乳液。此法裝置簡(jiǎn)單、操作容易、粒度均勻可控，但成本費(fèi)用較高，仍有團(tuán)聚問(wèn)題，進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)目前有一定難度。（5） 水熱合成法：由于反應(yīng)在高溫高壓、水熱條件下，水處于臨界狀態(tài)，反應(yīng)物質(zhì)在水中的物性與化學(xué)反應(yīng)性能發(fā)生了很大變化，而不同于一般制備方法，成為一種制備超細(xì)粉體的濕化學(xué)方法。將可溶性鋅鹽和堿業(yè)池外液混合形成氫氧化鋅的“沉淀反應(yīng)”與氫氧化鋅脫水生成ZnO的“脫水反應(yīng)”融合在同一反應(yīng)器內(nèi)完成，從而得到結(jié)晶完好的ZnO晶粒。此法能直接制得結(jié)晶完好、原始粒度小、分布均勻、團(tuán)聚少的納米氧化鋅粉體，制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需煅燒處理。但是高溫高壓下的合成設(shè)備較貴，投資較大。二、 實(shí)驗(yàn)部分（一） 實(shí)驗(yàn)原理（納米氧化鋅的制備及X衍射粒度測(cè)定見講義第6頁(yè)；光學(xué)禁帶寬度的測(cè)定見講義第44頁(yè)）（二） 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器儀器：電子天平、燒杯、量筒、磁力攪拌器、分液漏斗、布氏漏斗、抽濾瓶、循環(huán)水真空泵、烘箱、溫度計(jì)、濾紙、PH試紙、X衍射儀、紫外-可見分光光度計(jì)試劑：氯化鋅、氫氧化鈉、鹽酸（三） 實(shí)驗(yàn)步驟（見講義第7頁(yè)，不測(cè)比表面積，改為測(cè)紫外）b.滴加過(guò)程中保證充分?jǐn)嚢瑁籧.保證陳化時(shí)間）三、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1、XRD圖譜

XRD圖譜分析：從圖中可以知道，在31.737、34.379、36.215、47.494、56.535、62.777、67.968等處都有較強(qiáng)的峰，且與氧化鋅的PDF卡相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明產(chǎn)品中有氧化鋅。但20-30、32-33、51-52等處也出現(xiàn)了較強(qiáng)的峰，說(shuō)明產(chǎn)品中還含有其他的雜質(zhì)，并且雜質(zhì)較多。由圖可知：0.34x兀 °0.34x兀 °P= =0.006,20=36.322x180所以D0.89人0.89x0.154pcos0 0.006xcos18.16=24nm從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，氧化鋅的粒徑比標(biāo)準(zhǔn)值要大，可能是有一部分團(tuán)聚造成的，還有可能是雜質(zhì)附著在氧化鋅微粒表面，使測(cè)得的粒徑值較大。2、紫外-可見光譜吸收光譜是帶狀光譜。另外發(fā)光材料只有在吸收一定能量之后才能處于一定的激發(fā)態(tài)。當(dāng)然也就對(duì)應(yīng)于一定波長(zhǎng)的光，對(duì)材料而言，其吸收的光能必須大于或等于材料的禁帶寬度，吸收極限入即可吸收的最大），對(duì)應(yīng)著最小能量。由以上吸收譜圖可知，紫外-紫外-可見吸收光譜反映的是分子中電子能級(jí)間的躍遷，故又稱之為電子能譜，且分子ZnO的吸收極限入=411nm,則根據(jù)禁帶寬度