溶膠凝膠法制備納米氧化鋅

1、目錄1.選題的意義2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3.實(shí)驗(yàn)的方法手段4.可能獲得的結(jié)果 5.可能存在的問題和難題6.納米氧化鋅的應(yīng)用7.發(fā)展前景8.參考文獻(xiàn)溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅 一：選題的意義納米氧化鋅（ZnO）是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無機(jī)產(chǎn)品，作為一種新型多功能無機(jī)材料,在很多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,尤其是在與人類生存和健康密切相關(guān)的光催化降解有機(jī)物污染和抗菌方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。其粒子尺寸在1100nm之間。由于顆粒尺寸細(xì)微化，納米氧化鋅能產(chǎn)生其本體塊狀材料所不具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，在磁、光、電、敏感等方面具有一些特殊性能。納米氧化鋅主要應(yīng)用在橡膠、油漆、

2、涂料、印染、玻璃、醫(yī)藥、化妝品和電子等工業(yè)，作為抗菌添加劑、防曬劑、光催化劑、氣體傳感器、圖像記錄材料、吸波材料、導(dǎo)電材料、壓電材料、橡膠添加劑等。因?yàn)榧{米氧化鋅的優(yōu)越的性能，它在我們社會生產(chǎn)以及日常生活中起著越來越突出的作用，并對社會發(fā)展和社會進(jìn)步有著不可忽視的意義。本文結(jié)合國內(nèi)有關(guān)溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅方面的研究論文，設(shè)計(jì)了一種以醋酸鋅為前驅(qū)物，草酸為絡(luò)合劑，檸檬酸三銨為表面改性劑，無水乙醇、去離子水為溶劑，用溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅的最優(yōu)工藝過程，介紹、分析了溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅的原理、工藝以及影響氧化鋅粉體粒度、形貌及分散性的因素。并介紹了納米氧化鋅的應(yīng)用與發(fā)展前景。二：實(shí)

3、驗(yàn)?zāi)康?1:了解溶膠凝膠法制備納米氧化鋅的過程方法2：了解納米氧化鋅的優(yōu)越性能及實(shí)際應(yīng)用已知：氧化鋅，俗稱鋅白，分子式為ZnO。納米氧化鋅為白色或微黃色晶體粉末，屬六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=3.24×10-10m，c=5.19×10-10m，為兩性氧化物，密度為5.68g/cm3，熔點(diǎn)為1975，溶于酸和堿金屬氫氧化物、氨水、碳酸銨和氧化銨溶液，難溶于水和乙醇，無味，無毒，無臭，在空氣中易吸收二氧化碳和水。在這些基礎(chǔ)上我們通過這次設(shè)計(jì)來探究納米氧化鋅的形貌、變氧化鋅本體的很多性能,如缺陷濃度、顆粒大小等,而這些因素會在一定程度上將會提高氧化鋅的物理和化學(xué)性能三：實(shí)驗(yàn)

4、的方法手段 1、設(shè)計(jì)原理：溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅。溶膠-凝膠法是將金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶液水解、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理而形成氧化物或其他化合物粉體的方法，其過程是：用液體化學(xué)試劑或溶膠為反應(yīng)物，在液相中均勻混合并進(jìn)行反應(yīng)，生成穩(wěn)定且無沉淀的溶膠體系。放置一定時間后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，經(jīng)脫水處理，在溶膠或凝膠狀態(tài)下成型為制品，再經(jīng)過燒結(jié)固化制備出致密的氧化物材料。溶膠-凝膠法制得的粉體粒度可控，分布均勻，純度高，而且設(shè)備簡單，易于控制，基本反應(yīng)原理如下：(1)溶劑化-能電離的前驅(qū)物-金屬鹽的金屬陽離子Mz+ 將吸引水分子形成溶劑單元M(H2O)(Z為M離子的價數(shù))，為保持它的配位數(shù)而有強(qiáng)烈

5、的釋放H+的趨勢:M(H2O) M(H2O)n-1(OH)(z-1)+ + H+這時如果有其他離子進(jìn)入就可能產(chǎn)生聚合反應(yīng)，但反應(yīng)式極為復(fù)雜。(2)水解反應(yīng)-非電離式分子前驅(qū)物，如：金屬醇鹽M(OR)n（n為金屬M(fèi)的原子價）與水反應(yīng)表示為：M(OR)n + x H2O M(OH)x(OR)n-x + xROH反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行，直到生成M(OH)n。(3)縮聚反應(yīng)-縮聚反應(yīng)可分為失水縮聚和失醇縮聚:失水縮聚：-M-OH + HO-M -M-0-M- + H2O失醇縮聚：-M-OR + HO-M -M-O-M- + ROH反應(yīng)生成物是各種尺寸和結(jié)構(gòu)的溶膠體粒子。2、反應(yīng)原理：以醋酸鋅(Zn(Ac)2&

6、#183;2 H2O)為前驅(qū)物，草酸(H2C2O4)為絡(luò)合劑，檸檬酸三銨(NH4)3C6H5O7)為表面改性劑，無水乙醇(C2H5OH)、去離子水為溶劑，通過溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：Zn(Ac)2·2H2O + H2C2O4 ZnC2O4 + 2HAc + 2H2OZnC2O4 ZnO + 4CO2 + 2H2O3、工藝過程溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅的工藝過程示意圖草酸無水乙醇溶液透明溶液白色凝膠保溫0.5h過濾置于恒溫水域劇烈攪拌1.5h0.5256g檸檬酸三銨表面改性劑50mL去離子水6.57g醋酸鋅干凝膠納米氧化鋅洗滌(乙醇、水)干燥(80-2h)煅燒

7、(600-3h)洗滌(乙醇、水)、干燥用AFM觀測8.1 g草酸100mL無水乙醇醋酸鋅水溶液(0.6mol/L)溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅的具體工藝過程為：1）稱取8.1g草酸，溶于100mL無水乙醇中配成草酸無水乙醇溶液；2）準(zhǔn)確稱取6.57g醋酸鋅，溶于50mL蒸餾水中，形成醋酸鋅水溶液，并加入0.5256g檸檬酸三銨表面改性劑；3）將上述溶液置于恒溫(80)水域中，劇烈攪拌(1.5h)，使其充分溶解；4）將配好的醋酸鋅溶液緩慢滴加到草酸無水乙醇溶液中，置于恒溫(80)水域中保溫反應(yīng)0.5h，過濾即得凝膠；5）將白色凝膠分別用蒸餾水和無水乙醇各洗滌兩次，置于真空干燥箱內(nèi)干燥干燥(80-2

8、h)；6）將經(jīng)過上述步驟生成的干凝膠放入馬弗爐中煅燒(600-3h)；7）再將所得產(chǎn)物分別用蒸餾水和無水乙醇各洗滌兩次，干燥后即可制得納米級氧化鋅超細(xì)粉末。8）取少許納米氧化鋅粉末充分溶于無水乙醇，滴幾滴在云母片上煅燒(600)幾分鐘，置于AFM觀測其表面形貌。4、物料衡算1.反應(yīng)物：以醋酸鋅為前驅(qū)物，草酸為絡(luò)合劑，檸檬酸三銨為表面改性劑，無水乙醇、去離子水為溶劑，在溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅的過程中，適宜的醋酸鋅濃度為0.6 mol/L，適宜的草酸與醋酸鋅摩爾比為3：1，適宜的溶劑用量為：V乙醇/V水13，適宜的改性劑用量與醋酸鋅的質(zhì)量比為8%，若要配制50mL醋酸鋅水溶液用于參加反應(yīng)，則各

9、試劑的用量為：(1)醋酸鋅(m1) m1 = 0.6 mol/L x 0.05 L x 219g/mol = 6.57g(2)檸檬酸三銨(m2)m2 = m1 x 8% = 6.57g x 0.08 = 0.5256g(3)草酸(m3)m3 = 0.6 mol/L x 3 x 0.1L x 90g/mol = 8.1g(4)無水乙醇(V乙醇)取V乙醇/V水2，則V乙醇 = 2 V水 = 100mL2.產(chǎn)物-氧化鋅(m4)根據(jù)反應(yīng)過前后Zn元素質(zhì)量守恒可知：m1 x 65/219 x 100% = m4 x 65/81 x 100%則 m4 = m1 x 81/219 = 6.57g x 81/

10、219 = 2.43g四：可能獲得的結(jié)果 由于在操作過程中存在著許多不可知的因素，那么出現(xiàn)的結(jié)果可能有以下幾種： 1當(dāng)醋酸鋅濃度較低時，溶液中過飽和度較小，反應(yīng)完全需要較長時間，顆粒粒徑會較大；當(dāng)醋酸鋅濃度過高時，將會使表面活性劑形成的雙電層變薄，排斥能降低，團(tuán)聚現(xiàn)象加劇。 2.當(dāng)表面改性劑含量小于飽和吸附量時，不能完全阻止顆粒的團(tuán)聚；當(dāng)表面改性劑含量大于飽和吸附量時，會阻止顆粒自由移動，致使顆粒團(tuán)聚長大，表面改性劑之間也會相互聯(lián)結(jié) 3.無水乙醇乙醇可以能提高體系粘度，縮短成膠時間，提高膠體穩(wěn)定性。當(dāng)體系的粘度增大時，質(zhì)點(diǎn)生長速度放慢，有時間生成更多的晶核，得到更多的質(zhì)點(diǎn)。 4.當(dāng)草酸與醋酸鋅

11、的摩爾比為1/1時，二者正好反應(yīng)，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，物質(zhì)的濃度會越來越小，反應(yīng)很慢，難以反應(yīng)完全；草酸與醋酸鋅的摩爾比過高時，會導(dǎo)致反應(yīng)速度過快，不利于膠體穩(wěn)定。5.往草酸中滴加鋅鹽，鋅鹽會立即被草酸包圍，其原始濃度得以稀釋，短時間內(nèi)參與反應(yīng)的離子有限，晶體生長速度不會過快，水解可形成較小的絡(luò)合體，而且草酸濃度相對較高，會很快形成溶膠。6.反應(yīng)溫度過低、時間過短時，不利于水解反應(yīng)進(jìn)行，成膠時間過長；反應(yīng)溫度過高、時間過長時，溶劑揮發(fā)過快，溶液粘度降低，易引起團(tuán)聚。7.干燥溫度為70時，凝膠不穩(wěn)定；干燥溫度為80100時，凝膠顏色由無色透明轉(zhuǎn)為黃色不透明，保持穩(wěn)定；干燥溫度大于100時，凝膠逐漸

12、變?yōu)楹诤稚z破裂，不穩(wěn)定。8.煅燒溫度過高，前驅(qū)物容易產(chǎn)生硬團(tuán)聚體，顆粒粒度較大；煅燒溫度過低，反應(yīng)不完全。煅燒時間過短，會導(dǎo)致分解不完全，所得產(chǎn)物純度不夠，色澤不好；煅燒時間過長，分散的粒子會產(chǎn)生硬團(tuán)聚體。五：可能存在的問題和難題 1、在實(shí)驗(yàn)過程中控制醋酸鋅濃度為0.6 mol/L，草酸與醋酸鋅的摩爾比為3：1，溶劑用量為V乙醇/V水13，改性劑用量與醋酸鋅的質(zhì)量比為8%這些都是人為的操作過程，在配制的時候應(yīng)該盡量的細(xì)心，防止這些因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。2、如何將醋酸鋅溶液緩慢加入草酸無水乙醇溶液，以便縮短溶膠形成時間，形成穩(wěn)定的溶膠體系。3、反應(yīng)溫度、時間都會隨著外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境

13、的影響而改變，如何控制反應(yīng)溫度為80、反應(yīng)時間0.5h。、干燥溫度范圍為80100、時間為2h又是本實(shí)驗(yàn)的一個難題。所以，在保證前驅(qū)體分解完全的基礎(chǔ)上，煅燒溫度越低、煅燒時間越短越好，最佳煅燒溫度為600、時間為3h。六：納米氧化鋅的應(yīng)用橡膠工業(yè)中的應(yīng)用可以作為硫化活性劑等功能性添加劑，提高橡膠制品的光潔性、耐磨性、機(jī)械強(qiáng)度和抗老化性能性能指標(biāo)，減少普通氧化鋅的使用量，延長使用壽命；陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用作為 乳瓷 釉料和助熔劑，可降低燒結(jié)溫度、提高光澤度和柔韌性，有著優(yōu)異的性能；國防工業(yè)中的應(yīng)用納米氧化鋅具有很強(qiáng)的吸收紅外線的能力，吸收率和熱容的比值大，可應(yīng)用于紅外線檢測器和紅外線傳感器；納米氧化

14、鋅還具有質(zhì)量輕、顏色淺、吸波能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效的吸收雷達(dá)波，并進(jìn)行衰減，應(yīng)用于新型的吸波隱身材料；紡織工業(yè)中的應(yīng)用具有良好的紫外線屏蔽性和優(yōu)越的抗菌、抑菌性能，添加入織物中，能賦予織物以防曬、抗菌、除臭等功能；飼料工業(yè)中的應(yīng)用納米氧化鋅作為一種納米材料，具有高效的生物學(xué)活性、吸收率高、抗氧化能力強(qiáng)、安全穩(wěn)定等特性，是目前最理想的鋅源。在飼料中用納米氧化鋅替代高鋅，既可以解決動物體對鋅的需求量，也減少了對環(huán)境的污染。使用納米氧化鋅可以起到抗菌抑菌的作用 ，同時改善動物生產(chǎn)性能；涂料，化妝品及其它應(yīng)用領(lǐng)域金屬氧化物粉末如氧化鋅、二氧化鈦、二氧化硅、三氧化二鋁及氧化鎂等，將這些粉末制成納米級時，由

15、于微粒之尺寸與光波相當(dāng)或更小時，由于尺寸效應(yīng)導(dǎo)致使導(dǎo)帶及價帶的間隔增加，故光吸收顯著增強(qiáng)。各種粉末對光線的遮蔽及反射效率有不同的差異。以氧化鋅及二氧化鈦比較時，波長小于350納米（UVB）時，兩者遮蔽效率相近，但是在350400nm（UVA）時，氧化鋅的遮蔽效率明顯高于二氧化鈦。同時氧化鋅（n=1.9）的折射率小于二氧化鈦（n=2.6），對光的漫反射率較低，使得纖維透明度較高且利于紡織品染整。納米氧化鋅還可用來制造遠(yuǎn)紅外線反射纖維的材料，俗稱遠(yuǎn)紅外陶瓷粉。而這種遠(yuǎn)紅外線反射功能纖維是通過吸收人體發(fā)射出的熱量，并且再向人體輻射一定波長范圍的遠(yuǎn)紅外線，除了可使人體皮下組織中血液流量增加，促進(jìn)血液循

16、環(huán)外，還可遮蔽紅外線，減少熱量損失，故此纖維較一般纖維蓄熱保溫七：發(fā)展前景目前納米氧化鋅的制備技術(shù)已經(jīng)取得了一些突破，在國內(nèi)形成了幾家產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)廠家。但是納米氧化鋅的表面改性技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)尚未完全成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域的開拓受到了較大的限制，并制約了該產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。雖然我們近年來在納米氧化鋅的應(yīng)用方面取得了很大的進(jìn)展，但與發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用水平以及納米氧化鋅的潛在應(yīng)用前景相比，還有許多工作要做。如何克服納米氧化鋅表面處理技術(shù)的瓶頸，加快其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，成為諸多納米氧化鋅生產(chǎn)廠家所面臨的亟待解決的問題。八：參考文獻(xiàn)1吳長樂，納米氧化鋅的形貌控制及性能研究D.華中科技大學(xué)：華中科技大學(xué)，2008.2陳懷杰. 溶膠凝膠法制備納米氧化鋅粉體及納米氧化鋅粉體的表征D. 重慶大學(xué): 重慶大學(xué)，2006.3李哲. 溶膠凝膠法制備納米ZnO的實(shí)驗(yàn)研究D. 重慶大學(xué): 重慶大學(xué)，2008.4陳懷杰，李明偉，劉春梅. 溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅J. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，(12). 5張?jiān)赂?，李玉國，薛成山，張敬堯，崔傳? 納米氧化鋅的制備技術(shù)及其應(yīng)用前景J. 山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)