固相反應(yīng)合成納米材料及材料的表征

1、固相反應(yīng)合成ZnO納米材料及材料的表征摘要：固相反應(yīng)近年來日益受到重視并取得了廣泛發(fā)展, 它的突出優(yōu)點(diǎn)是操作方便, 合成工藝簡(jiǎn)單, 粒徑均勻, 且粒度可控, 污染少, 同時(shí)又可以避免或減少液相中易出現(xiàn)的硬團(tuán)聚現(xiàn)象。納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng), 在催化、光學(xué)、電磁、超導(dǎo)、化學(xué)和生物活性等方面呈現(xiàn)出優(yōu)良的物理化學(xué)特性, 成為特殊功能材料發(fā)展的基礎(chǔ), 是當(dāng)前物理、化學(xué)和材料科學(xué)的一個(gè)活躍領(lǐng)域。關(guān)鍵字：固相反應(yīng) ZnO納米材料 表征方法本文主要介紹固相化學(xué)反應(yīng)用到納米材料的合成中, 在室溫下通過固相反應(yīng)合成出ZnO納米材料, 并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。1 實(shí)驗(yàn)11 納

2、米的制備常規(guī)粒徑的ZnO采用市售ZnO，即樣品A。精確稱取草酸及二水合乙酸鋅(物質(zhì)的量比為1：1)置于瑪瑙研缽中，研磨30 min，然后將固相產(chǎn)物在烘箱中70真空干燥4 h，得到前驅(qū)物ZnC204·2H2O，再將該前驅(qū)物置于馬弗爐中加熱至分解溫度(4601，保溫2 h，即得樣品B。所用試劑均為分析純。12 物性檢測(cè)使用日本理學(xué)DMAX-1200型X射線衍射分析儀對(duì)試樣進(jìn)行XRD分析，其實(shí)驗(yàn)條件為：Cu 輻射，石墨單色器，管電壓40 kV，管電流30 mA，連續(xù)掃描速度30()min；由Philips公司生產(chǎn)的Tecnai 20型透射電鏡對(duì)試樣的粒度和形貌進(jìn)行分析。13 電極的制備及組

3、成分別制備下面3種類型的鋅電極：1）普通ZnO電極；2)納米ZnO 電極；3)納米ZnO與普通ZnO混合電極。將活性物質(zhì)ZnO和石墨按質(zhì)量比為9：1的比例充分混合，加入40的聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑。用刮片將調(diào)成糊狀的樣品刮入多孔泡沫鎳基底中，經(jīng)烘干、壓片制成電極。14 充放電實(shí)驗(yàn)充放電性能測(cè)試采用天津蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LK2001C型電池充放電測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定。將氧化鋅電極與涂膏式氫氧化鎳電極(其容量遠(yuǎn)大于鋅電極容量)組成模擬電池，其中鋅電極(1 cm1 cm)用聚丙烯隔膜包裹，充放電電流均為30 mA，充電時(shí)問3 h，放電截止電壓120V。2 結(jié)果與討論21 納米ZnO的表征由普通

4、ZnO與納米ZnO的x射線衍射圖譜可知，普通粉體ZnO和固相合成的納米ZnO粉體均為纖鋅礦六方晶體結(jié)構(gòu)。本研究所制備的樣品相對(duì)于普通ZnO衍射峰存在明顯的寬化現(xiàn)象，這正是納米粒子的特性。根據(jù)謝樂公式選擇幾個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，計(jì)算出納米ZnO粉末的平均粒度約為32 nm。由納米ZnO與普通ZnO的TEM 照片可知，普通ZnO粉體為棒狀，粒度大小為微米級(jí)；而通過固相配位化學(xué)法制備的納米ZnO粉體基本呈球形，粒度大小在2050 am之間，與通過XRD譜計(jì)算的結(jié)果基本一致。 22 充放電性能由不同組成的納米ZnO電極放電容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線可見，純ZnO電極盡管初始放電容量均較高f均高于350 mA&

5、#183;hg)，但是容量衰減很快。特別是純納米ZnO電極，在15次充放電循環(huán)后放電容量已衰減至初始放電容量的10，表明此時(shí)的納米ZnO電極已基本失效，電極上已沒有多少活性物質(zhì)，ZnO已基本溶解并逐步不可逆地?cái)U(kuò)散到電解液中；而普通ZnO電極的循環(huán)充放電性能要優(yōu)于納米ZnO 電極，這與前面的循環(huán)伏安性能分析結(jié)果一致。而納米ZnO與普通ZnO混合的電極循環(huán)充放電性能均優(yōu)于純納米ZnO 電極，且試樣D 的性能也優(yōu)于普通ZnO 電極。由于納米ZnO的粒度為納米級(jí)，而普通ZnO為微米級(jí)，因此納米ZnO很容易填充到普通ZnO顆粒的空隙中，這樣原來一個(gè)較大的空隙被填入的納米ZnO粉體細(xì)分為比較小的空隙，極大

6、增加了電極的孔隙率，增加了電化學(xué)反應(yīng)的有效表面積和反應(yīng)粒子與離子電荷傳輸?shù)耐ǖ?。同時(shí)， 由于納米ZnO具有較大的表面效應(yīng) 引，因而表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例；而且隨著微粒粒徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加，這是由于粒徑小，比表面積急劇增大所致。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面的原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。因此，它能強(qiáng)烈地吸附堿性溶液中的OH一到空隙中，大大縮短離子擴(kuò)散路徑，改善鋅電極反應(yīng)的傳質(zhì)和傳荷條件，提高了鋅電極的電化學(xué)性能。同時(shí)，對(duì)于鋅電極這種充放電過程中體積變化較大的電極，由于納米材料具有較好的塑性和蠕變性，可以減輕電極的變形問題，

7、大大改善了鋅電極的循環(huán)充放電性能。但是， 由于實(shí)驗(yàn)中未采用含飽和ZnO的KOH溶，故ZnO 在電解液中的溶解較為顯著，因此，在l5次充放電循環(huán)后，試樣A及試樣D 的放電容量已衰減至初始放電容量的20左右。 3 結(jié)論1)以草酸、二水合乙酸鋅為原料，采用固相配位化學(xué)法制備了粒子平均尺寸在2050 nm之間的ZnO粉體。2)21在60 molL的KOH溶液中，ZnO電極循環(huán)充放電性能均較差，特別是純納米ZnO電極。而納米粒子填充在常規(guī)粒徑粒子間的空隙中，可改善電極反應(yīng)的傳質(zhì)和傳核條件，減小電極充放電過程中的變形，提高鋅電極的氧化還原可逆性能以及循環(huán)充放電性能。納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺

8、寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng), 在催化、光學(xué)、電磁、超導(dǎo)、化學(xué)和生物活性等方面呈現(xiàn)出優(yōu)良的物理化學(xué)特性, 成為特殊功能材料發(fā)展的基礎(chǔ), 是當(dāng)前物理、化學(xué)和材料科學(xué)的一個(gè)活躍領(lǐng)域。納米材料的制備方法很多，可歸納為固相法、氣相法、和液相法三大類。其中固相反應(yīng)近年來日益受到重視并取得了廣泛發(fā)展, 它的突出優(yōu)點(diǎn)是操作方便, 合成工藝簡(jiǎn)單, 粒徑均勻, 且粒度可控, 污染少, 同時(shí)又可以避免或減少液相中易出現(xiàn)的硬團(tuán)聚現(xiàn)象，擁有廣闊的的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1、 夏熙能源形勢(shì)與化學(xué)電源的機(jī)遇J電池，2007，37(3)：1901942、 王獅，陳嘉嘉，鄭明森，等化學(xué)電源研究展望 美國電化學(xué)會(huì)第213次會(huì)議評(píng)述J電池，2008，38(5)：297-299.3、 高效岳，沈濤，唐琛明，等 ZnNi電池進(jìn)展J電池工業(yè)， 2002，7; 2202244、 褚有群，馬淳安，張文魁