实验2葡萄糖水热法制备纳米碳球.docx

实验 1 葡萄糖水热法制备纳米碳球一、 目的要求(1) 熟悉葡萄糖水热法制备纳米碳球的方法，熟练掌握高温高压反应釜的组装与应用2) 熟悉并理解水热法的基本原理、 特性，熟练使用反应釜，关注 反应釜使用的注意事项二、 实验原理炭微球材料由于其具有高密度、高强度、高比表面积以及在锂离子电池方面的应 用前景，已经引起许多研究人员的兴趣 碳微球的形状和大小显著影响着其电学性能葡萄糖在水热条件下会发生许多化学反应，实验结果表明：炭微球的增长似乎符合LaMer模型(见图1-1),当0.5 mol/L的葡萄糖溶液在低于140 C或反应时间小于1h时不会形成炭球，在 此条件下反应后溶液呈橙色或红色并且粘度增强， 表明有芳香族化合物和低聚糖形成，这是反应的聚合步骤当反应条件为 0.5mol/L、160 C、3h时开始出现成核现象，这个碳化步骤可能是由于低聚糖之间分子间脱水而引起的交联反应, 或者在先前步骤中有其它大分子的形成,然后形成的核在溶液中各向同性生长所致 从现有的研究结果表明, 制备 过程中的反应 条件如葡萄糖的起始浓度、 反应温度和反应时间直接影响炭球的粒径分布, 其中反应时间对颗粒粒径影响很大, 随着反应时间的延长,这些纳米炭球粒径从 150nm (最初 核的大小,实验所得到的最小的尺寸)生长到 1500nm。

由葡萄糖水热法制备纳米炭球具有绿色环保无污染的特点, 实验过程中没有引入任何引发剂以及有毒溶剂,制备得到的炭球粒径均匀,大小可控,同时表面含有大量活性官能团, 具有优良的亲水 性和表面反应活性, 可应用于生物化学、 生物诊断以及药物传输领域, 也可以作为制备核壳结构材料或者多孔材料的模板等等,具有令人欣喜的应用前景ni'i ■ 1 :rh、山，phdk图 1-1 水热法形成炭球的结构变化示意图 、实验预备葡萄糖，去离子水，95%乙醇；22um有机滤膜；5mL高压反应釜，鼓风干燥箱，电子天平，抽滤装置四、实验过程1 材料制备用电子天平称取6g葡萄糖放入5mL反应釜内衬中，用移液管准确移取 4mL去离子水(葡萄糖溶液的浓度为 0.78mol/L )加入到上述反应釜中，用玻璃棒搅拌溶液，使葡萄糖全部溶解，然后装入反应釜中，用扳手拧紧反应釜，放入烘箱中设定反应条件为：温度180C,反应时间 4~12 h待反应结束后，降至室温，取出反应釜，将釜内黑褐色溶液抽滤 (用22um有机滤膜)，并及时清洗反应釜内衬，抽滤时用去离子水和 95%乙醇清洗至滤液为无色将样品用滤纸包好放入干燥箱中 70C干燥4h。

收集样品，称重并计算产率2.材料表征⑴X-射线衍射分析：测定所制备碳球的晶型以判断该碳球所属的类型(如普通碳还是石墨型碳)；(2) 红外光谱分析：测定碳球的活性官能团，表征不同制备条件下得到的碳球活性官能团 变化；(3 )扫描电子显微镜或者透射电子显微镜分析所制备碳球的微观表面形态五、 结果与讨论(1) 查阅文献资料，阐述水热法制备碳球的优缺点，思考还有哪些可操作性强的简易方法用于制备碳球2) 分析实验数据，探讨哪些因素会影响碳球的形成，应通过哪些方法控制碳球的大小3 )评价你所制备碳球的应用前景，并提出改进实验的设想和建议六、 参考文献[1] Yuan zhu Mi , Weib ing Hu , Youme ng Dan ,Yin glia ng Liu , Syn thesis of carb on microspheres by a glucose hydrothermal method , Materials Letters 62 (28) 1194 —196[2] Marta Sevilla and Antonio B. Fuertes , Chemical and Structural Properties of Carbonaceous Products Obtained by Hydrothermal Carbonization of Saccharides , Chem. Eur. J. 2009,15,4195 - 4203.[3] Xiaoming Sun and Yadong Li, Colloidal Carbon Spheres and Their Core/Shell Structures with Noble-Metal Na noparticles , An gew. Chem. 2004, 43, 597 -601.实验 2 水热法制备纳米 TiO水热法属于液相反应的范畴， 是指在特定的密闭反应器中采用水溶液作为反 应体 系，通过对反应体系加热、 加压而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。

在水热条 件下可以使反应得以实现 在水热反应中， 水既可以作为一种化学组分 起反应并参与反 应，又可以是溶剂和膨化促进剂，同时又是一种压力传递介质， 通过加速渗透反应和控制 其过程的物理化学因素， 实现无机化合物的形成和改进 水热法在合成无机纳米功能材料 方面具有如下优势：明显降低反应温度(100-240C);能够以单一步骤完成产物的形成与晶化，流程简单；能够控制产 物配比；制备单一相材料；成本相对较低；容易得到取向好、完美的晶体；在生 长的晶体 中，能均匀地掺杂；可调节晶体生成的环境气氛一．实验目的1. 了解水热法的基本概念及特点2. 掌握高温高压下水热法合成纳米材料的方法和操作的注意事项3. 熟悉 XRD 操作及纳米材料表征4. 通过实验方案设计，提高分析问题和解决问题的能力二．实验原理水热法的原理是： 水热法制备粉体的化学反应过程是在流体参与的高压容器 中进 行，高温时，密封容器中有一定填充度的溶媒膨胀， 充满整个容器，从而产 生很高的压 力 为使反应较快和较充分的进行， 通常还需要在高压釜中加入各种 矿化物水热法一般以氧化物或氢氧化物(新配置的凝胶)作为前驱物，他们在加热 过程中溶解 度随温度的升高而增加， 最终导致溶液过饱和并逐步形成更稳定的氧 化物新相。

反应过 程的驱动力是最后可溶的前驱物或中间产物与稳定氧化物之间 的溶解度差 三．实验器材实验仪器： 10ml 量筒；胶头滴管； 50ml 烧杯；高压反应釜；烘箱；恒温磁 力搅拌 器实验试剂：无水 TiCl4 ；蒸馏水；无水乙醇四．实验过程1. 取10mL量筒,50mL的烧杯洗净并彻底干燥2. 取适量冰块放入烧杯中，并加入一定的蒸馏水形成 20mL 的冰水混合物,用恒温磁力搅拌器搅拌，速度适中3. 用量筒量取2mL的无水TiCI4，缓慢滴加到冰水混合物中4. 继续搅拌10min,即可得到TiO?的乳浊液5. 将制得的乳浊液放入到高压反应釜内，在 120C 的控温烘箱中反应 5h 后 取出6. 取出样品自然冷却后，用蒸馏水洗涤 3 次，无水乙醇洗涤 1 次，抽滤，干 燥后称 重 M2 7. 将干燥的样品进行 XRD 厅射，得出衍射图五.数据记录与处理1 产率计算： 理论产量 Mi=1.4567g 实际产量 M2=0.3773g则TiO2的产率=实际产量十理论产量即：P%=0.3773- 1.4567=25.90%2. 将实验得到的样品进行 XRD 衍射，得出衍射图如下：350 -Al匚帀 匚①300 -I : ' I：'』」” 1 「10 20 30 40 50 60 70 80图1 TQqXRD衍射图横坐标表示角度，纵坐标表示峰强度。

六.思考题1 什么是水热法 ? 水热法又称热液法，属液相化学法的范畴是指在密封的压力容器中，以水为 溶剂, 在高温高压的条件下进行的化学反应水热反应依据反应类型的不同可分 为水热氧化、水 热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等其中水 热结晶用得最多原理：水热结晶主要是溶解 再结晶机理利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的的物质溶解， 或反应生成该物质的溶解产物，通过 控制高 压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法2. 水热法的特点是什么？1）合成的晶体具有晶面，热应力较小，内部缺陷少；2）密闭的容器中进行，无法观察生长过程，不直观；3）设备要求高（耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬）、技术难度大（温压控 制严 格）、成本高；4）安全性能差3. 水热法生产的特点是什么？ 水热法生产的特点是粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控制，生产成本低 用水热 法制备的粉体一般无需烧结，这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大而且 杂质容易混入 等缺点4. 影响水热合成的因素有哪些？ 温度的高低、升温速度、搅拌速度以及反应时间等实验 3 溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛实验目的1. 了解溶胶-凝胶法制备方法及其在制备纳米级半导体材料 TiO2 上的应用；2. 掌握溶胶-凝胶法制备的工艺过程与原理；3. 通过实验加深对基础理论的理解和掌握，提高实验思维与实验技能。

二实验原理纳米粉体是指颗粒粒径介于 1 100 nm 之间的粒子由于颗粒尺寸的微细化， 使得 纳米粉体在保持原物质化学性质的同时， 与块状材料相比，在磁性、光吸收、 热阻、化学活性、催化和熔点等方面表现出奇异的性能纳米TiO?具有许多独特的性质比表面积大，表面张力大，熔点低，磁性强，光吸 收性能好，特别是吸收紫外线的能力强，表面活性大，热导性能好，分散性 好等基于上 述特点，纳米TiO?具有广阔的应用前景利用纳米TiO?作光催化剂，可处理有机废 水，其活性比普通Ti02（约10 口）高得多；利用其透明性和散射紫外线的能力，可作食 品包装材料、木器保护漆、人造纤维添加剂、化妆品防 晒霜等；利用其光电导性和光敏 性，可开发一种 Ti02感光材料如何开发、应用纳米TiO?，已成为各国材料学领域的重要研究课题目前合成纳米二氧化钛粉体的方 法主要有液相法和气相法由于传统的方法不能或难以制备纳米级二氧 化钛，而溶胶-凝 胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大 的单组分或多组分分子级纳 米催化剂[1 3],因此，本实验采用溶胶-凝胶法来制备 纳米二氧化钛光催化剂制备溶胶所用的原料为钛酸四丁脂（Ti（O-C4H9）4）、水、无水乙醇（C2H5OH）以及冰 醋酸。

反应物为TiQ-CqHgh和水，分相介质为C2H5OH，冰醋酸可调节体系的酸度防 止钛离子水解过速使 Ti（O-C4H9） 4在 C2H5OH 中水解生成 Ti（OH） 4, 脱水后即可获得 TiO^在后续的热处理过程中，只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以获得金红石 型和锐钛型二氧化钛钛酸四丁脂在酸性条件下，在乙醇介质中水解反应是分步进行的，总水解反 应表示为 下式，水解产物为含钛离子溶胶Ti（O-C 4H9）4 +4H2O——Ti（OH） 4+4C4H9OH 一般认为，在含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网 状基团上述溶胶体系静置一段时间后，由于发生胶凝作用，最后形成稳定凝胶 三.实验器材 药品：钛酸正四丁脂（分析纯），无水乙醇（分析纯），冰醋酸（分析纯），盐酸 （分析纯），蒸馏水仪器：恒温磁力搅拌器，搅拌子，三□瓶(250 mL),恒压漏斗(50 mL),量筒(10 mL, 50 mL)，烧杯(100 mL)o四实验步骤1. 量取10mL钛酸四丁酯，缓慢滴入到35mL无水乙醇中，用磁力搅拌器强力搅拌 10-30mi n,混合均匀，形成黄色澄清溶液A2将 4 mL冰醋酸和10mL蒸馏水加到另3。