（毕业设计论文）-水热法制备形貌可控ZnO.doc

CHANGSHA UNIVDRSITY OF SCIDNCD & TDCHNOLOGY 毕业设计（论文）题目： 水热法制备形貌可控ZnO学生姓名： 学 号： 班 级: 无机 专 业： 无机非金属材料工程指导教师： 年 6月水热法制备形貌可控ZnO学生姓名： 学 号： 班 级： 无机 所在院(系): 物理与电子科学学院指导教师： 完成日期: 水热法制备形貌可控ZnO水热法制备形貌可控ZnO摘要以乙酸锌（Zn(CH3COO)2）为锌源，尿素（CO(NH2)2）为碱源，非离子型聚氨酯（PU）为模板，采用水热法制备了碱式碳酸锌（Zn5(CO3)2(OH)6）前驱体在400℃下进一步煅烧前驱体2h，即获得氧化锌粉末用粉末X射线衍射、视频显微镜及扫描电镜研究了产物的结构和形貌，结果表明，以PU为模板制备的氧化锌可以获得纳米六方形片状结构形貌，PU的加入可以有效减小氧化锌的晶粒尺寸。

进一步研究反应时间对产物结构的影响， 结果表明采用IPDI（N-4）型聚氨酯为模板、反应时间为20小时能得到较好的ZnO颗粒，并且随着反应时间的延长，晶粒尺寸不断增大XRD及热分析结果显示，采用水热法制备的（Zn5(CO3)2(OH)6）前躯体在400℃以下完全分解成ZnO 关键词： 非离子型聚氨酯；碱式碳酸锌；氧化锌；水热法HYDROTHERMAL PREPARATION TECHNIQUE OF ZnO CRYSTALABSTRACT The precursors, zinc carbonate (Zn5(CO3)2(OH)6)，were synthesized in hydrothermal conditions with zinc acetate (Zn(CH3COO)2) as zinc source, urea (CO(NH2)2) as alkaline source, and nonionic polyurethane (PU) as template. Zinc oxide (ZnO) powders were obtained when the synthesized precursors were calcined under 400℃ for 2h. The morphology and structure of ZnO powders were investigated by X-ray diffraction (XRe) and scanning electron microscope (SEM). The result showed that the morphology of ZnO synthesized by using Polyurethane as a template was disk-like with hexagonal alamellar structure, PU could reduce efficiently the nanoparticle size of ZnO. The influence of the reaction time , the type of the PU on the product morphology were also investigated. It was showed that the best result can be obtained when IPDI(N-4) was used as a template and reaction time was 20h. And the grain size is getting larger as the reaction time is getting longer. Key word: nonionic polyurethane； basic zinc carbonate； zinc oxide； hydrothermal method 目录1 绪论 11.1 ZnO的基本结构 11.2 ZnO材料的性能及应用 21.2.1 催化及光催化领域 31.2.2 光、电及气敏等领域 31.2.3 日用化工及生物医学领域 41.3 ZnO粉末颗粒的制备方法 41.3.1 物理方法 51.3.2 化学气相氧化法 51.3.3 激光诱导化学气相沉积法 （LICVD） 51.3.4 喷雾热解法 61.3.5 溶胶-凝胶法 61.3.6 直接沉淀法 61.3.7 均匀沉淀法 71.4 ZnO材料国内外研究现状 81.5 本课题的研究目的及意义 122 实验部分 132.1 方案设计 132.2 实验流程图 142.3 实验原料 142.4 实验仪器 142.5 试样的制备 152.5.1 水性聚氨酯（PU）的制备 152.5.2 ZnO粉末样品的制备 152.6 测试手段及表征方法 162.6.1 X射线衍射原理 (XRD) 162.6.2 扫描电镜 (SDM) 172.6.3 视频显微镜 182.6.4 透射电镜 (TDM) 182.6.5 热重分析 (Tg) 192.6.6 差示扫描量热分析 (DSC) 202.7 电镜及视频显微镜样品的制备及测试 212.8 样品的物相分析及热分析 213 结果与讨论 223.1 样品的X射线衍射分析 223.2 样品的形貌分析 273.2.1 样品的SEM分析 273.2.2 样品的视频显微镜分析 283.3 前驱体的热分析 304 结论 33参考文献 34致谢 371 绪论1.1 ZnO的基本结构自然条件下，氧化锌（ZnO）晶体以单一稳定的纤锌矿结构存在，属六方晶系。

氧化锌晶体结构中，Zn原子按六方紧密堆积排列，每个Zn原子周围4个氧原子，构成Zn-O 4配位四面体结构，四面体的面与正极面C（0001）平行,四面体的顶角正对向负极面（0001），见图1-1（a）Zn-O 4四面体在[1120]方向的投影，见图1-1（b），从图中可以明显地看出，Zn在C轴方向不是对称分布的，其分布是偏向于（0001）面，远离（0001）面，在[1 100]方向上Zn，O是呈对称分布的，晶体形态见图1-1（C），对称型为L6P，L6为C轴，与垂直C轴的晶轴相互相交为120 ，分别为a1，a2，a3显露单形：六方单锥P{1011}，六方单柱m{1010}和单面c（0001）它的晶格结构见图1-1（d），晶格常数a=0.342nm，c=0.519nm[1]1.2 ZnO材料的性能及应用表1-1 纤锌矿结构ZnO的物理性能氧化锌，俗称锌白，无毒，无臭，系两性氧化物，不溶于水和乙醇，溶解于强酸和强碱，在空气中能吸收二氧化碳和水[2-4]室温下能带带隙为3.37eV，激子束缚能达60meV，是直接带隙N型半导体其基本物理性能见表1.1世界上首次发现具有压电效应ZnO纳米结构的Wang指出ZnO最重要的三点性质是[5]: (1) ZnO作为一种具有宽带隙3.37eV，大的激发能60 meV的半导体材料，由于近紫外区发射和透明电导性所以具有重要的应用。

2)由于非中心对称性，ZnO所具有的压电性对于构造传感器和变频器都是非常重要的3) ZnO是无毒的，具有生物相容性，所以它可以不加修饰的应用在生物医药领域纳米ZnO属于纳米级金属氧化物，是一种新型高功能精细无机产品，纳米ZnO由于其尺寸介于原子簇和宏观微粒之间，具有许多宏观材料所不具有的特殊性质，使其在光吸收感光催化及其它功能特性等方面展示出引人注目的应用前景[6-7]下面就ZnO在各个领域的用途做简单介绍1.2.1 催化及光催化领域由于纳米氧化锌具有极强的表面效应，表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化;同时纳米氧化锌的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，并具有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，所以具有很高的化学活性;另外，由于纳米氧化锌大的比表面积，表面的键态与颗粒内部的不同，表面原子配位不全，这就导致表面活性位置增多，形成凸凹不平的原子台阶，加大了反应接触面因此纳米氧化锌比普通氧化锌具有更高的催化活性及光催化活性有一些高分子聚合物的氧化、还原以及在有机合成与分解反应中，采用纳米氧化锌做催化剂，能极大提高反应速率和产品质量。

通过研究液氮温度下，纳米氧化锌光催化氧化C7H16和SO2过程中发现，其光催化活性随其顺磁共振(DSR)信号强度的减小而下降说明O2－空位在光催化反应中起重要作用同时发现在催化反应中，氧缺位越多，催化活性越高另外，在紫外线照射下，纳米氧化锌光催化反应可除去多种有毒气体，并能与多种有机物(包括细菌内的有机物)发生氧化反应，从而把大多数病毒和细菌杀死，因此可被广泛应用于空气净化、废水处理等领域[8-9]1.2.2 光、电及气敏等领域当纳米材料的晶粒尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或比它们更小时，一般固体材料赖以成立的周期性边界条件将被破坏，表现出小尺寸效应[10]徐甲强[11]等人对纳米氧化锌气敏性测试得出，氧化锌的气体灵敏度随晶粒减小而增高张喜田等通过对ZnS薄膜热氧化制备出了纳米氧化锌薄膜，此薄膜具有极强的光致发光能力[12]利用纳米氧化锌的压电敏的晶界效应可制备纳米氧化锌薄膜压电材料，表面光滑致密，易于制造，价格低，稳定可靠，便于调变性能，易平面化、集成化因此纳米氧化锌可用做半导体膜、光导通讯保护膜和声学的压电膜等纳米氧化锌还可用作图像记录材料、半导体材料及电容器等。

同时利用掺杂制备的纳米氧化锌薄膜，具有优异的光电性能，如高的电导率、宽的禁带宽度(室温下Dg=3.37eV)等，因此可应用于太阳能电池、电致发光等方面[13-16]1.2.3 日用化工及生物医学领域含纳米氧化锌的陶瓷制品烧结温度可降至400～600℃，成品光亮如镜，极大降低了能源消耗，产品质量也大幅度提高[17]同时这种陶瓷制品具有良好的韧性，这是由于纳米超微粒子制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱原子在外力变形条件下自己容易迁移，表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能[18-19]因此这种陶瓷硬度高，耐高温，耐腐蚀，可用于制浴缸、地板砖及桌石等另外，李晓娥[20]等对纳米氧化锌着色进行了研究，制备出类球形、呈肤色的纳米氧化锌，该产品可用于化妆品、医药、颜料等领域纳米氧化锌在日光、尤其紫外线照射下，能自行分解出自由移动的带负电的电子，同时留下带正电的空穴，这种空穴可激活空气中的氧变为活性氧，具有极强的化学活性同时纳米氧化锌作为光触媒型抗菌材料，与H2O或OH－反应生成一种具有强氧化性的羟基以杀死病菌另外纳米氧化锌可用于生产混合消臭剂的除臭纤维及各种布料和服饰中，能吸收臭味净化空气，。