纳米ZnO的制备及表征.docx

化学化工学院材料化学专业实验报告实验实验名称： 纳米ZnO的制备及表征.年级:级材料化学 日期：/09/20姓名：汪钰博 学号： 同组人:向泽灵一、 预习部分1.1 氧化锌的构造氧化锌（ZnO）晶体是纤锌矿构造，属六方晶系，为极性晶体氧化锌晶体构造中，Zn原子按六方紧密堆积排列，每个Zn原子周边有4个氧原子，构成Zn-O4配位四周体构造，四周体的面与正极面C(00001)平行，四周体的顶角正对向负极面(0001)，晶格常数a=342pm, c=519pm,密度为5.6g/cm3，熔点为2070K,室温下的禁带宽度为3.37eV. 如图1-1、图1-2所示： 图1-1 ZnO晶体构造在C (00001)面的投影 图1-2 ZnO纤锌矿晶格图2 氧化锌的性能和应用纳米氧化锌(ZnO)粒径介于1- 100nm 之间, 由于粒子尺寸小, 比表面积大, 因而, 纳米ZnO 体现出许多特殊的性质如无毒、非迁移性、荧光性、压电性、能吸取和散射紫外线能力等, 运用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、杀菌、图象记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。

同步氧化锌材料还被广泛地应用于化工、信息、纺织、医药行业纳米氧化锌的制备是所有研究的基本合成纳米氧化锌的措施诸多, 一般可分为固相法、气相法和液相法本实验采用共沉淀和成核/生长隔离技术制备纳米氧化锌粉3 氧化锌纳米材料的制备原理 不同措施制备的ZnO晶形不同，如：3.1 共沉淀和成核/生长隔离法借助沉淀剂使目的离子从溶液中定量析出是材料制备领域液相法的重要技术常规共沉淀制备是将盐溶液与碱溶液直接混合并通过搅拌的方式实现，由于混合不充足，反映界面小、存在浓度梯度、反映速度和扩散速度慢，先沉淀的粒子上形成新沉淀粒子，新旧粒子的同步存在，导致粒子尺寸分布极不均匀使合成材料的粒子尺寸和均分散性能受到很大影响，其晶体的尺寸也很难达到纳米量级，极大限制了此类材料的应用；成核/生长隔离制备采用强制微观混合技术，将盐溶液与碱溶液在反映器转子与定子之间的缝隙处迅速充足混合接触，反映后物质迅速脱离反映器，实现粒子的同步成核、同步生长，从而使材料具有粒子尺寸小和分布均匀的特性，粒子的尺寸可以达到10－100nm3.2 水热法和微波水热法常规水热法是运用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解，或反映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措施。

水热法制备材料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和球磨,这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大并且杂质容易混入等缺陷；近年来, 水热法的一种创新是将微波引入反映体系中以更快地制备陶瓷材料这提供了老式反映釜加热所不具有的长处,涉及迅速加热至晶化温度, 均匀成核以及通过氢氧化物沉淀的迅速溶解达到迅速过度饱和, 从而导致较低的晶化温度和较短的晶化时间3.3 溶胶-凝胶法Sol-gel法的原理重要是原材料的水解、缩聚反映，常用的原料一般为金属醇盐和无机化合物作为湿化学反映措施之一，不管所用的起始原料（称为前躯物）为无机盐或金属醇盐，其重要反映环节是前驱物溶于溶剂（水或有机溶剂）中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反映生成物汇集成1nm左右的粒子并构成溶胶，经蒸发干燥转变为凝胶，基本反映原理如下：（1）溶剂化：能电力的前驱物-金属盐的金属阳离子将吸取水分子形成溶剂单元（为离子的价数），为保持它的配位数而有强烈地释放的趋势：，这时如有其他离子进入就也许产生聚合反映，但反映式极为复杂；（2）水解反映：非电离式分子前驱物，如金属醇盐（为金属的原子价）与水反映：；反映可延续进行，直至生成（3） 缩聚反映：缩聚反映可分为失水缩聚： 和失醇缩聚： 反映生成物是多种尺寸和构造的荣胶体粒子。

3.4 反相微乳液法微乳体系中涉及单分散的水或油的液滴，这些液滴在持续相中不断扩散并互相碰撞，微乳液的这种动力学构造使其成为良好的纳米反映器由于这些小液滴的碰撞是非弹性碰撞或“粘性碰撞”，这有也许使得液滴间互相合并在一起形成某些较大液滴但由于表面活性剂的存在，液滴间的这种结合是不稳定的，所形成的较大液滴又会互相分离，重新变成小的液滴微乳液的这种性质致使体系中液滴的平均直径和数目不随时间的变化而变化，故而，微乳体系可用于纳米粒子的合成如果以油包水型微乳体系作为纳米反映器，由于反映物被完全限定于水滴内部，因此要使反映物互相作用，其首要环节是水滴的合并，实现液滴内反映物之间的物质互换当混合水相中分别溶解有反映物A和B的两种相似的微乳体系时，由于水滴的互相碰撞、结合与物质互换，最后可形成AB的沉淀颗粒在反映刚开始时，一方面形成的是生成物的沉淀核，随后的沉淀便附着在这些核上，使沉淀不断长大当粒子的大小接近水滴的大小时，表面活性剂分子所形成的膜附着于粒子的表面，作为“保护剂”限制了沉淀的进一步生长这就是微乳体系作为纳米反映器的原理，由于所合成的粒子被限定于水滴的内部，因此，合成出来的粒子的大小和形状也反映了水滴的大小和内部形状。

4 纳米氧化锌的物理性能表征表征一般是指拟定物质的构造、颗粒尺寸、形状和形貌等4.1 热分析热分析仪技术是在程序温度控制下测量物质的物理性质随温度的变化，用于研究物质在某一特定温度时所发生的热学物理参数的变化，由此进一步研究物质的构造和性能之间的关系；物质在加热过程中发生的晶型转变、熔化、升华、挥发、还原、分解、脱水或降解、化合等物理化学变化，常随着着热量和质量的变化在程序温度控制下通过测量物质的热量和质量随温度的变化，研究材料(金属、矿物质、陶瓷和玻璃)的玻璃转变温度，结晶时间与结晶温度，结晶度，融化热与反映热，材料的热稳定性，材料氧化稳定性、分解动力学、估算产品寿命等，揭示物质性质的内在变化的分析措施根据国际热分析协会(international confederation for thermal analysis， ICTA) 规定，DSC曲线放热峰向上，吸热峰向下一种热效应相应的峰位置和方向反映了物质的变化本质，其宽度、高度、对称性和取决于升温速率、样品量、颗粒大小、测定条件、样品变化过程中的多种动力学因素4.2 X射线衍射(XRD)分析每种晶体的构造与其Ｘ射线衍射图之间均有着一一相应的关系，其特性X射线衍射图谱不会由于它种物质混聚在一起而产生变化，这就是Ｘ射线衍射物相分析措施的根据。

制备多种原则单相物质的衍射把戏并使之规范化，将待分析物质的衍射把戏与之对照，从而拟定物质的构成相，就成为物相定性分析的基本措施鉴定出各个相后，根据各相峰的强度正比于改组分存在的量，就可对多种组分进行定量分析目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射原则联合会（JCPDS）”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行物相分析4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析扫描电子显微镜是根据电子与物质的互相作用当一束高能的人射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特性x射线和持续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射可以获取被测样品自身的多种物理、化学性质的信息，如形貌、构成、晶体构造、电子构造等4.4 BET比表面及孔径分布测定 物质的比表面积（1g吸附剂所具有的内外面积之和）大小和孔径分布状况，是评比催化剂、气敏材料、理解固体表面性质的重要参数其理论根据是1938年Brunauer、Emmett和Teller三人在19Langmuer吸附理论基本上，从典型记录理论推导出的多分子层吸附公式基本上，即出名的BET方程二、实验部分（一）实验原理1） 纳米ZnO制备以氯化锌为原料、氢氧化纳为沉淀剂制备纳米ZnO 的反映方程式如下:沉淀反映： 热解决：2)X衍射粒度测定（物相分析见X衍射讲义）在X衍射图谱中，材料在某个晶面的厚度与衍射角存在如下关系： D为粉末平均粒径(nm);λ=0.154 nm,为X射线波长;β为2θ所相应的衍射峰的半高宽（FWHM）；θ为半衍射角，该公式称为Scherrer公式。

对于纳米粉体材料而言，晶体的大小等于颗粒的大小，即为粒径；因此对于球形颗粒D就可以直接表达其粒径，但是在计算D时，β一般选择最强峰的半高宽对于其他形状的颗粒，可以以最强的三个峰的平均值来表达3）比表面积与粒径的关系（比表面积测定原理见比表面仪讲义）纳米材料的表面效应即纳米微粒表面原子与总原子数之比随纳米微粒尺寸的减小而大幅增长，粒子的表面能及表面张力也随之增长，从而引起纳米材料性质变化因此纳米材料的粒径的大小很大限度上决定了材料的性质对粉体材料的粒径测量可以通过其比表面积的测定得到，比表面积与粒径的关系可表达为:：比表面积(m2/g)； ；粒子的理论密度；D；粒子平均直径； k；形状因子对球形粒子，k取6由上式可知，随颗粒尺寸的减小，粒子的表面积迅速增长因此，测得了比表面积就可计算出比粒径：（二）实验环节1、 称取0.03mol氯化锌配成0.2mol/l溶液，用稀盐酸缓慢调节溶液pH值到溶液澄清为止2、 称取0.06mol氢氧化钠配成1mol/l溶液待用；3、 在磁力搅拌条件下，把氢氧化钠滴加到氯化锌溶液中，整个过程保持搅拌，滴加完毕后把溶液pH值调到9～10陈化2h以上；抽滤，洗净，在105℃烘箱中烘2h，研磨以待检测。

4、 样品做XRD衍射，并打印图谱；同步测比表面积仪器操作另见讲义）注意：陈化时间至少2小时（可在上午反映完后下午过滤）；样品因洗净到无氯离子控制氢氧化钠滴加速度，在20min左右滴加完毕三、实验成果分析1、纳米ZnO的制备及表征1.光谱图2.分析小结:由图可知，在31.5、34.21、36.01、47.29、56.37处有较强的峰，对比氧化锌的PDF卡片可知样品中的重要成分为氧化锌，但是个最高峰的值都不是特别高，可以懂得结晶度并不高，因素也许是陈化时间不够，或者是pH值未调到最佳值在图中还能看到32.6、33.34、37.66、44.66、58.11等处有较弱的峰，与Zn5(OH)8Cl2`H2O的PDF卡片对比，可知产物中具有该物质，因素也许是洗涤过程没有洗涤干净，残留的氯离子与氧化锌形成了晶体D=0.89*0.154/（(36.3°-35.85°) *π/180°*cos44.8°）=24.6nm计算所得值较大，因素也许是由于氯离子未洗涤干净，导致形成的晶体较大。