納米ZnO的制備方法畢業(yè)設(shè)計(jì)1

納米ZnO的制備方法目錄148841緒論 157941.1納米ZnO的概述 1240041.1.1納米ZnO 1218831.1.2納米ZnO功能 177291.1.3納米ZnO的主要用途 3120211.2制備納米ZnO的方法，以及概述 432891.2.1固相法 442701.2.2氣相法 56411.2.3液相法 6293181.3沉淀法制備納米ZnO 8229561.3.1沉淀法 8101201.3.2沉淀法原理 8310301.3.3沉淀法制備納米ZnO過程出現(xiàn)的問題 8171121.4本課題研究的內(nèi)容和意義 963032實(shí)驗(yàn)局部 10294942.1實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備以及試劑 10132772.1.1實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備 1051342.1.2實(shí)驗(yàn)試劑 1047962.2納米ZnO的制備方法 10265972.2.1制備納米ZnO中間沉淀物 11152152.2.2沉淀產(chǎn)物的過濾、洗滌 13157702.2.3沉淀物的焙燒 14312212.2.4沉淀物的煅燒、研磨 1463343實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 16111403.1各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)中間沉淀物的影響 1696683.1.1ZnSO4·7H2O的參加量對(duì)中間產(chǎn)物產(chǎn)率的影響 16244453.1.2確定最正確的氨水參加量 16144243.1.3溫度以及攪拌速率對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響 17239123.1.3最正確的反響條件 18231053.1.4中間產(chǎn)物的過濾和洗滌 18283613.1.5中間沉淀物的焙燒 18251943.1.6煅燒的最正確時(shí)間 1915495結(jié)論 2029983致謝 211212參考文獻(xiàn) 221緒論1.1納米ZnO的概述20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了一門新興的科技，那就是納米科學(xué)和技術(shù)，它已經(jīng)成為世界材料，物理，化學(xué)，生物，力學(xué)等等學(xué)科方面的研究的熱門課題之一。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。納米材料可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體、納米復(fù)合材料、納米結(jié)構(gòu)等。它是一個(gè)覆蓋面特別廣，學(xué)科多樣性的交叉的科學(xué)性研究方向和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。納米是一個(gè)長度單位，1m的十億分之一等于1nm。當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1—100nm這個(gè)范圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。如果僅僅是尺度到達(dá)納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。納米材料的研究領(lǐng)域從原子團(tuán)到大塊材料，包括生物材料、無機(jī)材料、有機(jī)材料、以及金屬材料等。納米ZnO納米ZnO又稱活性ZnO，一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無機(jī)產(chǎn)品。因?yàn)樗奶厥獾某叽缬辛颂厥獾墓δ堋Ｆ漕w粒大小約在1—100nm。表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)，如非遷移性、吸收、熒光性、散射紫外線能力和壓電性等，通過應(yīng)用它在光、電、磁等方面的性能，可制造紫外線遮蔽材料、變阻器、高效催化劑、氣體傳感器、塑料薄膜、熒光體、壓電材料、壓敏電阻、圖像記錄材料、和磁性材料等[29~30]。納米ZnO功能ZnO是一種多功能性的新型無機(jī)材料，由于晶粒的細(xì)微化，其晶體結(jié)構(gòu)和外表電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了特殊的宏觀隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、外表效應(yīng)和體積效應(yīng)以及高分散性、高透明度等特點(diǎn)。近年來發(fā)現(xiàn)它在磁學(xué)、催化、力學(xué)、光學(xué)、等方面展現(xiàn)出許多特殊功能，使其在生物、化工、電子、光學(xué)、陶瓷、醫(yī)藥等許多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，具有ZnO所無法比擬的特殊性和用途。納米氧化鋅在紡織領(lǐng)域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌劑、熒光材料、光催化材料等。由于納米氧化鋅一系列的優(yōu)異性和十分誘人的應(yīng)用前景，因此研發(fā)納米氧化鋅已成為許多科技人員關(guān)注的焦點(diǎn)[21~27]?！?〕用于催化劑和光催化劑納米ZnO由于比外表積大、尺寸小、顆粒內(nèi)部與外表的鍵態(tài)的不同、外表原子配位不全等，導(dǎo)致外表的活性度增多，增大了反響面面積。根據(jù)光敏半導(dǎo)體催化理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米ZnO半導(dǎo)體催化性能與其能級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)。納米ZnO的催化活性和選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)催化劑。研究說明，如果使用納米ZnO作為光催化劑的話，那么反響速率可以成百上千的提高并且不引起光的散射?！?〕抗菌作用納米ZnO無毒、無味，對(duì)皮膚無刺激，是皮膚的外用藥物，能起到保護(hù)、防皺和消炎等作用。此外對(duì)UVA和UVB均有良好的屏蔽作用，納米ZnO吸收紫外線的能力很強(qiáng)，同時(shí)還可以用于化裝品的防曬劑；也可以用于生產(chǎn)抗菌、抗紫外線、防臭的纖維。通過納米ZnO的定量殺菌試驗(yàn)說明了在5分鐘內(nèi)，在納米ZnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％時(shí)，大腸桿菌的殺菌率為99．93％，金黃色葡萄球菌的殺菌率為98．86％。由此可見其殺菌的效果。同時(shí)紫外線對(duì)納米ZnO能產(chǎn)生一些化學(xué)反響，在紫外線的照射下，在水和空氣中能分解出能自由移動(dòng)的帶負(fù)電的電子，而且同時(shí)留下帶正電的空穴，它可以激活空氣中的氧氣，使其變成活性的氧原子，它具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，并且能與大多數(shù)有機(jī)物發(fā)生氧化反響，包括細(xì)菌體內(nèi)的有機(jī)物，所以能殺死大多數(shù)病菌和病毒。〔3〕陶瓷工業(yè)納米氧化鋅的比外表積大，體積小，粒度較均勻，在陶瓷業(yè)可以直接利用，陶瓷工業(yè)在ZnO作為白色顏料方面使用的比擬廣泛，將納米ZnO添加到陶瓷中，不僅可以使陶瓷制品燒結(jié)溫度降低400℃到600℃，而且燒成品出現(xiàn)了“鏡面效應(yīng)〞，是陶瓷外表更加光滑如鮮，頗有欣賞性。還有能它降低燒結(jié)陶瓷的溫度，能耗降低，并且制作工序簡單易行，極大地提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。〔4〕玻璃工業(yè)普通ZnO同樣有著吸收紫外線的功能，但是卻不能透過可見光，所以不能用于玻璃工業(yè)。但是納米化得ZnO確是同時(shí)能辦到既能吸收大于95%紫外線又能透過大于85%的可見光。因此家用玻璃，汽車玻璃以及建筑用的玻璃對(duì)此確是不能缺少的。在納米ZnO屏蔽紫外線的同時(shí)，還可以殺菌，也是自潔玻璃。還有就是它也可以用于制造眼鏡片。〔5〕石油工業(yè)納米ZnO是精脫硫催化劑的根本原料，而甲醇生產(chǎn)、大型尿素以及石油、天然氣冶煉和其它化工產(chǎn)品都需要脫硫，因此對(duì)于這些物質(zhì)來說納米ZnO的需求量相當(dāng)?shù)拇骩28]?！?〕紡織工業(yè)和日化工業(yè)粒徑小于40nm的納米ZnO對(duì)紫外線具有優(yōu)異的遮蔽效果。隨著臭氧層的破壞，紫外線加劇了對(duì)生物的傷害，防止紫外線的入侵已成為人類一項(xiàng)迫不及待的需求。經(jīng)過調(diào)查，市場納米ZnO的需求量很大，我國已能獨(dú)立生產(chǎn)。日本倉螺公司將納米ZnO摻入異形截面的聚酯纖維或長絲中，開發(fā)震驚世界的兼具消毒，抗菌，除臭的防紫外線纖維。納米ZnO的主要用途橡膠工業(yè)納米ZnO的最廣泛的用處之一就是橡膠工業(yè)。納米氧化鋅具有疏松多孔、顆粒微小、分散性好、流動(dòng)性好、比外表積大等物理化學(xué)特性。目前，普通的ZnO已經(jīng)逐漸被納米ZnO所代替。經(jīng)查取可知活性ZnO的比外表積大于8m2/g。以至于活性ZnO的用量較ZnO的降至原用量的1/2到1/3，并且性能較普通的ZnO優(yōu)良，而納米ZnO的比外表積大于50m防止老化抗摩擦著火使用壽命長耐磨性強(qiáng)〔2〕納米ZnO的抗菌性納米ZnO在紫外線照射下，能與大多數(shù)有機(jī)物〔包括細(xì)菌〕發(fā)生氧化反響，具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，從而殺死大多數(shù)病毒和病菌。在粉末粒徑為光波長的1/2時(shí)最大時(shí)，金屬氧化物粉末對(duì)光線的遮蔽能力最強(qiáng)。與此同時(shí)，在整個(gè)紫外光區(qū)〔200—400nm〕，納米ZnO對(duì)光的吸收能力比TiO2強(qiáng)。而同時(shí)納米ZnO吸收紫外線的能力毋庸置疑，對(duì)中波紫外線〔中波280nm—320nm〕和長波紫外線〔長波320nm—400nm〕都有良好的屏蔽的作用。大多數(shù)抗菌物質(zhì)是有機(jī)物質(zhì)，它們廣泛用于洗滌劑、食品、化裝品中和紡織品。但它們存在著平安性較差、耐熱性差、易分解產(chǎn)生有害物易揮發(fā)等缺點(diǎn)，為克服這些缺點(diǎn)人們積極開發(fā)研究了一些無機(jī)抗菌劑，納米ZnO就是其中之一。納米ZnO由于比外表積大、尺寸小，顆粒內(nèi)部與外表鍵態(tài)的不同。由于納米ZnO外表原子不全等的配位，加大了反響接觸面，導(dǎo)致納米ZnO外表的活性位置增多。因此，納米ZnO催化劑的活性和選擇性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其傳統(tǒng)催化劑，催化速度是普通ZnO的100—1000倍，這大大增加了ZnO吸附污染物的能力。從而提高了光催化降解有機(jī)物的能力。當(dāng)納米ZnO粉體作為光催化劑時(shí)可使污水中的Cr6+復(fù)原成Cr3+，從而形成Cr(OH)3可用于污水處理，對(duì)環(huán)境污染治理有積極的作用。由于抗菌劑在在使用時(shí)在產(chǎn)品中要到達(dá)一定的量，應(yīng)選擇納米ZnO作為抗菌劑有以下優(yōu)點(diǎn)：抗菌能力強(qiáng)，抗菌范圍廣。持效久，耐洗滌沖刷，還耐光，耐熱。熱穩(wěn)定性好，價(jià)格廉價(jià)，來源廣，不變色，不易揮發(fā)。就禁帶寬度而言，ZnO是一種適合的可以替代TiO2的光催化劑，并且ZnO廉價(jià)、無毒、對(duì)環(huán)境中多種難降解的有機(jī)污染物都有很好的光催化去除效果。1.2納米ZnO的制備方法納米ZnO的制備方法隨著對(duì)納米Zno性能研究的深入應(yīng)運(yùn)而生，概括起來一般可分為物理方法和化學(xué)方法[3~7]。物理方法又叫粉碎法，或者機(jī)械法。將普通級(jí)別的氧化鋅通過特殊的粉碎技術(shù)粉碎至超細(xì)?；瘜W(xué)方法又叫造粒法，是在一定的條件下，通過原子或分子的成核、生長或化合凝聚成具有一定形狀和尺寸的粒子。其中化學(xué)方法研究的比擬多?；瘜W(xué)方法又可分為氣相法、固相法和液相法。氣相法分為：化學(xué)氣相氧化法、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉淀法、噴霧熱解法等等。液相法分為：直接沉積法、均勻沉積法、水熱法、微乳液法、溶膠一凝膠法、模板法和醇鹽水解法等固相法[1]固相合成法也稱為固相化學(xué)反響法，是近幾年來剛剛開展起來的、一種廉價(jià)而又簡便的新方法。所謂固相法是指將金屬鹽或者金屬氧化物按配方充分混合，經(jīng)研磨、煅燒使其發(fā)生擴(kuò)散而發(fā)生固相反響，直接得到或著再研磨得到超細(xì)粉。通過查閱資料：俞建群等利用低熱固相配位化學(xué)反響的方法合成納米ZnO。他們以二水合醋酸鋅和草酸為原料，以其摩爾比為1：l的量于研缽中，充分研磨30min左右，然后再將固相產(chǎn)物放置于烘箱中真空枯燥4h，溫度為70℃。操作完畢后得到前驅(qū)體ZnC2O4·2H2O，將前驅(qū)體置于馬沸爐中加熱到其分解溫度460℃，保持2h，即得納米ZnO。該法克服了傳統(tǒng)濕法存在團(tuán)聚現(xiàn)象等缺點(diǎn)，同時(shí)反響具有產(chǎn)率高，反響條件，無需溶劑易掌握等優(yōu)點(diǎn)，是一種簡單可行的方法。工業(yè)生產(chǎn)前景樂觀，但是反響往往進(jìn)行得不完全或過程中易出現(xiàn)液化等現(xiàn)象。氣相法[2]目前生產(chǎn)納米材料的最有效方法之一就是氣相法。所謂氣相法就是以氣體為原料，先在氣相中通過化學(xué)反響形成物質(zhì)的根本粒子，再經(jīng)過成核，生長兩個(gè)階段生成薄膜、粒子和晶體材料。其特點(diǎn)是結(jié)晶好、粒度可控、純度高，但技術(shù)要求高。氣相法主要分為三大類：化學(xué)氣相氧化法、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉淀法、噴霧熱解法?！?〕化學(xué)氣相氧化法化學(xué)氣相氧化法是以氧氣為氧源，鋅粉為原料，在高溫下，以N2作為載體進(jìn)行氧化復(fù)原反響制得納米ZnO。所得產(chǎn)品的粒徑介于10—20nm之間，產(chǎn)品的單分散性能好，但產(chǎn)品有原料殘存，純度較低，對(duì)設(shè)備條件的要求較高。氣相反響合成法是在溫度大于907℃的條件下將鋅從熔融的金屬鋅或鋅的合金中升華而蒸發(fā)出來，隨著鋅蒸汽與噴入的氧化氣體一起的流動(dòng)，從而使Zn氧化變成ZnO粉末。經(jīng)查閱資料可得日本Mitarai等以鋅粉和氧氣為原料，以N2為載體，在約為550℃的高溫下是原料發(fā)生氧化復(fù)原反響，從而就能得到粒度范圍在10—20nm的ZnO?；瘜W(xué)反響式如下：2Zn+O2=2ZnO(T=550℃)〔1-1〕用此種方法的優(yōu)點(diǎn)是：原料簡單，價(jià)廉，易得，但是得到產(chǎn)品的粒度細(xì)，單分散性較好。缺點(diǎn)是：反響得到的產(chǎn)品純度低，而且還有原料殘存，對(duì)設(shè)備要求較高。〔2〕激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉淀法該法以惰性氣體為載氣，以Zn片為原料，用CW—C02激光氣為熱源，加熱反響原料，使之與O2反響生成ZnO。簡單來說，在實(shí)驗(yàn)中就是利用在空氣的氣氛中用激光束直接照射鋅片外表，經(jīng)加熱、汽化、蒸發(fā)、氧化等過程，來制備納米氧化鋅粉末。該法具有可精確控制、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)率低、本錢高、電能消耗大，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉淀法的原理是利用反響氣體對(duì)特定波長激光束的吸收，引起氣體分子激光分解和激光誘導(dǎo)化合反響，在一定條件下合成納米粒子。該法不易團(tuán)聚，粒徑均一，能量轉(zhuǎn)化率高，可精確控制等優(yōu)點(diǎn)。噴霧熱解法所謂噴霧熱解法是將金屬鹽溶液以噴霧的形式進(jìn)入高溫氣體中，隨著溶劑的蒸發(fā)及金屬鹽的熱分解，從而形成納米氧化物粉體。原理是以液態(tài)物質(zhì)為前驅(qū)體，通過噴霧的形式直接得到產(chǎn)物。它不需經(jīng)過過濾、洗滌、枯燥、燒結(jié)等過程，因而組成了均勻、粒度和純度高得納米產(chǎn)物，過程簡單連續(xù)，但污染較大，不容易凈化回收，能耗大、高活性粉體高溫下容易聚結(jié)等問題。用噴霧熱解法所得分散性好，粒徑分布窄，化學(xué)活性好，粒徑分布均勻，純度高，并且工藝易于控制，操作簡單，設(shè)備造價(jià)低廉，頗具工業(yè)化生產(chǎn)的條件和特點(diǎn)。液相法所謂液相法又叫做液相沉積法[8~9]，通俗來講就是通過在液態(tài)的反響下微觀粒子的凝聚，從而得到納米粒子的一種方法。根據(jù)整個(gè)過程有沒有化學(xué)反響分為兩種類型，分別為非反響沉積法和反響沉積法。液相法主要分為：直接沉積法、均勻沉積法、水熱法、微乳液法、溶膠一凝膠法、醇鹽水解法、模板法和超聲波合成法等。直接沉淀法[4]所謂直接沉淀法就是向含有一種或者多種離子的溶液中參加反響物使之在一定條件下產(chǎn)生沉淀，將沉淀從溶液中析出，出去陰離子，再將析出的沉淀物經(jīng)熱分解得到納米ZnO。不同的沉淀物，參加的沉淀劑也不相同，同時(shí)沉淀物熱分解的溫度也不盡相同。舉個(gè)簡單的例子，當(dāng)以NH3·H2O為沉淀劑時(shí)，反響如下：Zn2++2NH3·H2O=Zn(OH2↓+2NH4+(1-2)Zn(OH)2=ZnO+H2O↑(T=500~800℃)(1-3)直接沉淀法操作簡單，對(duì)設(shè)備要求不高，純度較高，本錢也較低。但是只限于實(shí)驗(yàn)室，而且陰離子去除也較困難，得到的材料分散性差等均勻沉淀法[19]均勻沉淀法與直接沉淀法大致相同，都是通過化學(xué)反響產(chǎn)生沉淀，然后經(jīng)過濾將沉淀物熱分解，進(jìn)一步形成納米ZnO的過程。不同的是，直接沉淀法快，得到的納米產(chǎn)物分散性不好。均勻沉淀法是將溶液中的構(gòu)晶離子緩慢而均勻的釋放，得到的產(chǎn)物分散性好，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。常用的反響物有兩種：尿素和六亞甲基四胺。以尿素為例，反響式如下：CO(NH2)2+3H2O=CO2+2NH3·H2O(1-4)Zn2++2NH3·H2O=Zn(OH)2↓+2NH4+(1-5)Zn(OH)2=ZnO+H2O↑(T=500~800℃)(1-6)均勻沉淀法較直接沉淀法產(chǎn)物顆粒均勻，產(chǎn)生的顆粒小，粒度均勻，過濾也相對(duì)容易，團(tuán)聚好，分散性好等優(yōu)點(diǎn)。水熱法[14]水熱法是將制備納米ZnO的前驅(qū)體，放入高壓釜中的水熱介質(zhì)中在一定溫度和時(shí)間下發(fā)生水熱反響，這就是水熱法。用這種方法得出來的納米ZnO優(yōu)點(diǎn)是晶粒發(fā)育完整，團(tuán)聚程度小，粒度小且分布均勻，并且在在燒結(jié)過程中活性高。〔4〕微乳液法[10,17]微乳液是一種理想介質(zhì)，是由外表活性劑、助外表活性劑〔通常為醇類〕、水溶液或水、油組成的一種各向同性、透明的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。微乳液中的由外表活性劑和助外表活性劑組成的微小“水池〞粒徑在大概幾十納米到幾百納米的范圍內(nèi)。并且各個(gè)“水池〞彼此別離，夠不成水相。由微乳液法制備的納米ZnO特點(diǎn)是：粒度分布均勻、操作容易、設(shè)備簡單，但是團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，使其不能工業(yè)化生產(chǎn)。溶膠一凝膠法[15]溶膠一凝膠法是將Zn的醇鹽或者無機(jī)鹽溶于水或者有機(jī)溶劑，經(jīng)過水解、縮聚反響形成溶膠，在經(jīng)過枯燥，煅燒得到納米ZnO粉體。此種方法得到的納米ZnO顆粒均勻，不易團(tuán)聚，過程容易控制，但本錢昂貴，不易工業(yè)化生產(chǎn)。常見的反響：Zn(CH3COO)2+2H2O=Zn(OH)2+2CH3COOH〔堿性條件下〕(1-7)Zn(OH)2=ZnO(s)+H2O↑(加熱) (1-8)醇鹽水解法Zn的醇鹽能在水溶液中迅速水解，生成Zn(OH)2沉淀 過濾、枯燥、煅燒成納米ZnO粉體。例如以Zn(OC2H5)2為原料，化學(xué)反響：Zn(OC2H5)2+2H2O=Zn(OH)2↓+2C2H5OH (1-9)Zn(OH)2=ZnO+H2O↑(1-10)該法的特點(diǎn)是條件溫和，原料易得，所得粒度細(xì)，單分散性好。但是本錢高，易形成不均勻成核。1.3沉淀法制備納米ZnO沉淀法沉淀反響是以沉淀反響為根底。所得沉淀物都需經(jīng)過過濾、洗滌、烘干及煅燒得到納米氧化物粉體。沉淀法分為直接沉淀法、均勻沉淀法、共沉淀法和絡(luò)合沉淀法等。直接沉淀法是將可溶性鋅鹽溶液中參加沉淀劑使之產(chǎn)生沉淀，然后過濾，洗滌，在煅燒成納米粉體的一種制備納米ZnO的方法。均勻沉淀法就是利用某一化學(xué)反響是鋅離子由溶液中緩慢的釋放出來而產(chǎn)生沉淀，通過來改變沉淀劑的濃度而控制不同的平衡。以上兩種方法較常見。所有沉淀法的共同點(diǎn)都是利用生成沉淀的液相反響來制取。整個(gè)反響式用下式表示：nA++nB+→[AB]。為了得到納米粉體，需要使溶液中的[AB]有大的過飽和度；而要使粒度分布均勻，反響器各處時(shí)刻都應(yīng)保持均勻的過飽和度。沉淀法原理沉淀法的原理就是反響溶液中的成核與長大的過程。整個(gè)過程是：在含有可溶性鹽或者懸浮的水溶液或非水溶液中發(fā)生反響，一旦溶液被產(chǎn)物過飽和，就會(huì)由均相成核過程或非均相成核過程開展形成沉淀。核一旦形成，就會(huì)通過擴(kuò)散的形式不斷長大，在這個(gè)過程中，濃度和溫度對(duì)其影響至關(guān)重要，想要形成未聚集的顆粒，要求所有的核同時(shí)形成，隨后不再有成核過程，也沒有顆粒的聚集。本次實(shí)驗(yàn)以NH3·H2O和NH4HCO3為沉淀劑，與ZnSO4溶液發(fā)生反響，生成由ZnCO3包裹的Zn(OH)2前驅(qū)體。反響方程式如下：ZnSO4+2NH3·H2O=Zn(OH)2↓+(NH4)2SO4(1-11)ZnSO4+NH4HCO3=ZnCO3↓+(NH4)2SO4(1-12)煅燒前驅(qū)體的化學(xué)反響：Zn(OH)2=ZnO+H2O(1-13)ZnCO3=ZnO+CO2(1-14)沉淀法制備納米ZnO過程出現(xiàn)的問題(1)當(dāng)將與ZnSO4溶液發(fā)生反響而產(chǎn)生的沉淀過濾、洗滌陰離子時(shí)比擬困難。(2)在制備納米ZnO的成核和長大的過程，由于對(duì)濃度和溫度的控制需要比擬精確，所以比擬容易出現(xiàn)由于控制不當(dāng)而出現(xiàn)的團(tuán)聚顆粒，而過濾、洗滌、焙燒、煅燒這幾個(gè)過程中均有濃度和溫度的變化，因此都有可能出現(xiàn)團(tuán)聚。1.4本課題研究的內(nèi)容和意義本課題研究的主要是用沉淀法制備納米ZnO的最正確反響條件，通過控制NH3·H2O以及NH4HCO3的參加量、反響時(shí)間、枯燥時(shí)間、煅燒的溫度等條件制備出納米ZnO。研究的意義是：因?yàn)榧{米材料獨(dú)有的性能，使其具有廣泛的用途，是近年來新興的產(chǎn)業(yè)之一。尤其納米ZnO有著多種用途：催化劑、抗菌、陶瓷工業(yè)、橡膠工業(yè)、石油工業(yè)、玻璃工業(yè)等。用途很多，范圍很大，開展前途無限。2實(shí)驗(yàn)局部本章詳細(xì)的介紹了實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，內(nèi)容，方法，步驟以及結(jié)果。探討的以及實(shí)驗(yàn)的主要局部放在中間沉淀產(chǎn)物上面。2.1實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備以及試劑實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備本實(shí)驗(yàn)的主要儀器設(shè)備有：500mL的燒杯一支、10mL和100mL的量筒各一支、玻璃棒一支、攪拌器、電子天平、濾紙、抽真空過濾器、枯燥箱、加熱爐、研體。實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備型號(hào)如下列圖所示：表1實(shí)驗(yàn)所用儀器及其介紹儀器名稱型號(hào)生產(chǎn)廠家電子天平HZK-FA110福州華志科學(xué)儀器循環(huán)水式多用真空泵SHB-=3\*ROMANIII河南省予華儀器電熱鼓風(fēng)枯燥箱101-OAB上海勝啟儀器表數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速攪拌器SXJQ-1鄭州長城科工貿(mào)箱式電阻爐SX-4-10北京電爐廠電熱恒溫水浴鍋HH-S6北京科偉永興儀器實(shí)驗(yàn)試劑氨水、七水合硫酸鋅、碳酸氫銨、蒸餾水。試劑的資料如下列圖表2：2.2納米ZnO的制備方法[29～30]制備納米ZnO步驟如下：(1)稱取一定量的ZnSO4·7H2O，用100mL的量筒量取一定量的水于500mL的燒杯中，將稱取好的ZnSO4·7H2O參加燒杯中，用數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速攪拌器溶解、攪拌。(2)用10mL的量筒量取一定量的氨水，配置成氨水水溶液，然后參加燒杯中，反響完畢后再參加碳酸氫銨，直到產(chǎn)生大量氣泡為止。(3)將產(chǎn)生的沉淀經(jīng)抽真空過濾器過濾出沉淀，將沉淀放于枯燥箱中枯燥，再用加熱爐煅燒，然后用缽體研磨得到不同粒徑的納米ZnO粉體。制備納米ZnO中間沉淀物表2實(shí)驗(yàn)所需材料及其介紹名稱級(jí)別分子量產(chǎn)地性狀七水合硫酸鋅化學(xué)純287.55廣州市潤展化工無色斜方晶系棱柱狀結(jié)晶碳酸氫銨化學(xué)純79.06鄭州沃原化工股份無色或白色棱柱形結(jié)晶氨水分析純35.05石家莊市華迪化工工貿(mào)無色液體蒸餾水自制18實(shí)驗(yàn)室無色液體納米ZnO的中間沉淀物是由外圍ZnCO3包裹的中心是Zn(OH)2組成的。本實(shí)驗(yàn)分別采用5g、10g、15g、20g的ZnSO4·7H2O進(jìn)行溶解制備納米ZnO。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1：圖1用來稱量藥品的電子天平〔1〕取5gZnSO4·7H2O溶解，氨水為變量本次實(shí)驗(yàn)分為兩組，稱取5gZnSO4·7H2O溶于含有100mL水的500mL的燒杯中。第一組用量筒量取10mL的0.5mol/L氨水水溶液，然后再緩慢的參加碳酸氫銨，進(jìn)行反響。第二組用量筒量取20mL的0.5mol/L氨水水溶液，然后再緩慢的參加碳酸氫銨，進(jìn)行反響。將兩組實(shí)驗(yàn)所得沉淀物進(jìn)行過濾、焙燒、煅燒。將產(chǎn)生的納米粉體進(jìn)行比對(duì)。〔2〕取10gZnSO4·7H2O溶解，氨水為變量本次實(shí)驗(yàn)分為三組，用電子稱稱取10gZnSO4·7H2O溶于含有100mL水的500mL的燒杯中。第一組用量筒量取20mL的0.5mol/L的NH3·H2O水溶液，參加燒杯中反響，再向燒杯內(nèi)緩慢添加NH4HCO3直至燒杯內(nèi)有大量氣泡冒出為止。第二組實(shí)驗(yàn)用量筒量取40mL的NH3·H2O，參加燒杯，再向燒杯內(nèi)緩慢的添加NH4HCO3直至大量氣泡冒出。第三組實(shí)驗(yàn)用量筒量取60mL的NH3·H2O，參加燒杯中反響，再緩慢地參加NH4HCO3直至大量的氣泡冒出。將三組實(shí)驗(yàn)所得沉淀物經(jīng)抽真空過濾器過濾，在經(jīng)過過濾、焙燒、煅燒得到不同粒徑納米ZnO粉體。〔3〕取15gZnSO4·7H2O溶解，氨水為變量第一組實(shí)驗(yàn)用量筒量取40mL制備好的氨水水溶液參加溶解了15g的ZnSO4水溶液中進(jìn)行化學(xué)反響，反響完畢后，再向其中緩慢參加NH4HCO3，直到反響完畢。同樣的第二組參加80mL配置好的氨水水溶液，第三組參加100mL的氨水水溶液。最后將產(chǎn)生的沉淀過濾、焙燒、煅燒。最后產(chǎn)生了不同粒徑的納米ZnO粉體。〔4〕取20gZnSO4·7H2O溶解，氨水為變量反響條件同上，同樣分三組實(shí)驗(yàn)第一組參加配置好的氨水80mL，第二組參加配置好的氨水水溶液100mL，第三組參加配置好的120mL的氨水水溶液。反響完畢以后進(jìn)行沉淀枯燥、焙燒、煅燒。最后產(chǎn)生不同粒徑的納米ZnO粉體。〔5〕改變實(shí)驗(yàn)的反響條件1〕改變實(shí)驗(yàn)的反響溫度通過改變實(shí)驗(yàn)的反響溫度來改變實(shí)驗(yàn)的反響速率。本次實(shí)驗(yàn)分為四組。所用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有玻璃棒、500mL燒杯、100mL量筒、鑰匙、電子天平、數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速攪拌器、電熱恒溫水浴鍋。第一組實(shí)驗(yàn)：將燒杯放置于常溫下反響。第二組實(shí)驗(yàn)將燒杯放置于電熱恒溫水浴鍋中反響，將溫度調(diào)置50℃恒溫15min。第三組實(shí)驗(yàn)同樣也是將燒杯放于60℃的電熱恒溫水浴中反響，時(shí)間為15min。第四組實(shí)驗(yàn)同樣也是將燒杯放于70℃的電熱恒溫水浴中反響，時(shí)間為15min。待反響完畢后過濾、烘干，稱其重量。如圖2：2〕改變攪拌速度本實(shí)驗(yàn)通過改變攪拌的速度來測定生成沉淀反響的時(shí)間。取10gZnSO4·7H2O溶于有100mL的500mL的燒杯中，用數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速攪拌器攪拌速度300r/min，完全溶解以后，將氨水與水融合調(diào)制成0.5mol/L。分三組實(shí)驗(yàn)來做第一組實(shí)驗(yàn)不用攪拌器攪拌，再參加氨水水溶液的那一刻開始計(jì)時(shí)，參加氨水水溶液之后立刻參加碳酸氫銨，待大量氣泡冒出之后開始停止計(jì)時(shí)，時(shí)間為t1。第二組實(shí)驗(yàn)用攪拌器以200r/min的速度攪拌，之后操作同上，時(shí)間為t2。第三組實(shí)驗(yàn)用攪拌器以300r/min的速度攪拌，之后操作同上，時(shí)間為t3。以上三組實(shí)驗(yàn)每組做三次，取平均值，計(jì)錄得到t1、t2、t3，最后比擬粒度大小。圖2實(shí)驗(yàn)過程中用來保持溫度的電熱恒溫水浴鍋。隨著攪拌速度的增加團(tuán)聚現(xiàn)象減緩。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3：圖3溶解和化學(xué)反響過程中用到的數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速攪拌器〔6〕實(shí)驗(yàn)反響的最正確條件10gZnSO4·7H2O溶于100mL水中，用攪拌器以200r/min的速度攪拌，放入電熱恒溫水浴鍋中反響，將溫度調(diào)置50℃恒溫15min，參加0.5mol/L的氨水水溶液40mL，然后再參加碳酸氫銨，直至大量氣泡冒出。將沉淀過濾、洗滌、枯燥、煅燒，最后得出納米ZnO粉體。沉淀產(chǎn)物的過濾、洗滌過濾用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是抽真空過濾器，操作步驟是先將它與過濾瓶用橡膠管連接，檢查連接局部，防止漏氣而產(chǎn)生過濾緩慢和不完全的現(xiàn)象。然后用剪刀將濾紙剪成過濾口大小的紙片，然后將其放入過濾口，用蒸餾水浸濕〔防止過濾時(shí)沉淀物下漏〕，將反響完全的中間沉淀物慢慢的導(dǎo)入過濾口內(nèi)，翻開開關(guān)，過濾開始，待過濾完全后再用蒸餾水沖洗，盡量去除雜質(zhì)。最后清洗過濾瓶等用完的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖4：圖4沉淀物過濾用到的抽真空過濾器沉淀物的焙燒將上一步過濾、洗滌完畢的中間沉淀產(chǎn)物放入玻璃皿中，盡量減少這個(gè)過程中的沉淀物損失，以便數(shù)據(jù)更加精確。將其放入電熱鼓風(fēng)枯燥箱中進(jìn)行枯燥，設(shè)定具體的溫度還有具體的時(shí)間，待時(shí)間到了之后取出稱其重量。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖5：圖5枯燥沉淀物過程中用到的電熱鼓風(fēng)枯燥箱沉淀物的煅燒、研磨將焙燒好的中間沉淀物放入箱式電阻爐中，做多組實(shí)驗(yàn)，采用不同的溫度進(jìn)行煅燒，然后用納米粒度儀檢測不同溫度下的粒徑。待煅燒完畢后取出，稱重。如圖6：圖6煅燒過程中用到的箱式電阻爐3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論本章節(jié)主要就是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行畫圖、分析與討論，具體內(nèi)容如下。3.1各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)中間沉淀物的影響ZnSO4·7H2O的參加量對(duì)中間產(chǎn)物產(chǎn)率的影響本次實(shí)驗(yàn)分為四組，ZnSO4·7H2O的參加量分別為5g、10g、15g、20g，使之溶于含有100mL水的燒杯中，在常溫下反響，所得到的產(chǎn)率如圖7所示：參加的ZnSO4·參加的ZnSO4·7H2O的量〔g〕沉淀物的產(chǎn)率圖7沉淀物的產(chǎn)率隨參加的ZnSO4·7H2O的量多少的變化由圖所示，隨著ZnSO4·7H2O的參加量越大，中間沉淀物的產(chǎn)率越小，并且在10g到15g的這個(gè)過程中產(chǎn)率下降的速度最小，根據(jù)此圖分析在5g時(shí)產(chǎn)率較高，所以對(duì)于實(shí)驗(yàn)室制備納米ZnO來說，選擇5g的ZnSO4·7H2O比擬好，既節(jié)省材料，產(chǎn)率又高。確定最正確的氨水參加量用電子稱稱取5g的ZnSO4·7H2O，將其放入含有100mL水的500mL燒杯中，用數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速攪拌器攪拌溶解，然后分別參加10mL、20mL、30mL的0.5mol/L的氨水水溶液，在常溫下進(jìn)行反響，待反響完畢后分別參加碳酸氫銨反響完全。具體數(shù)據(jù)如表3所示：由此表可看出，隨著氨水水溶液體積的增加，Zn(OH)2的質(zhì)量增加，而中間沉淀物的質(zhì)量逐漸減少。而第三組實(shí)驗(yàn)是Zn(OH)2的質(zhì)量與ZnCO3的質(zhì)量相差最少的，也是分配比擬均勻的，因此不管這哪一種沉淀，出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象是這三組中最少的。所以我認(rèn)為最正確的氨水水溶液參加量是第三組實(shí)驗(yàn)。表3常溫下不同的氨水水溶液參加量對(duì)應(yīng)的不同的沉淀量參加氨水水溶液體積〔mL〕Zn(OH)2的質(zhì)量(g)中間沉淀物的質(zhì)量(g)100.211.96200.451.87300.651.70溫度以及攪拌速率對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響當(dāng)參加5gZnSO4·7H2O時(shí)，參加30mL的0.5mol/L的氨水水溶液在反響式中存在NH4+的水解反響，因?yàn)镹H4+的水解是吸熱反響，所以隨著溫度的增加反響向右進(jìn)行，因此OH-1離子減少，而導(dǎo)致Zn(OH)2的產(chǎn)量減少，而ZnCO3的產(chǎn)量會(huì)增加。因?yàn)閆n(OH)2的摩爾分子質(zhì)量小于ZnCO3的摩爾分子質(zhì)量，所以減少生成Zn(OH)2的那局部Zn2+形成了ZnCO3。所以中間沉淀物的質(zhì)量增加了。而ZnCO3過多就可能產(chǎn)生團(tuán)聚的數(shù)量增多，對(duì)實(shí)驗(yàn)不利，所以反響在常溫下就好。具體走向如圖8：反響溫度〔℃〕反響溫度〔℃〕中間沉淀的量〔g〕圖8中間沉淀的量隨反響溫度的變化攪拌所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速攪拌器，隨著攪拌的速度的增加，反響速率加快，而由于攪拌的作用，產(chǎn)生的中間沉淀物出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象減少，但是如果攪拌速度過大的話，容易出現(xiàn)漩渦，不利于反響的進(jìn)行，如表4、5：最正確的反響條件表4反響溫度影響中間產(chǎn)物的粒度反響溫度〔℃〕中間沉淀物粒度常溫較大50較小60較小70較小表5攪拌速度對(duì)反響速率和粒度的影響攪拌速度〔r/min〕反響速率粒度0一般較大200較大較小400較大較小本實(shí)驗(yàn)最正確反響條件就是稱量5g的ZnSO4·7H2O的，將其置于含有100mLH2O的500mL燒杯中，用攪拌器攪拌，然后參加30mL的0.5mol/L的氨水水溶液，以200r/min的速度攪拌，再參加NH4HCO3直至反響完畢，在常溫下反響。中間產(chǎn)物的過濾和洗滌得到中間沉淀物的第一步就是過濾，目的就是將沉淀物別離出來，所用設(shè)備抽真空過濾器，接下來就是對(duì)沉淀物的洗滌，目的是去除雜質(zhì)，為生成高質(zhì)量的納米ZnO做好準(zhǔn)備。中間沉淀物的焙燒得到過濾和洗滌完畢的中間沉淀物之后，將其放入玻璃皿中，整理好后放入電熱鼓風(fēng)枯燥箱內(nèi)枯燥，將烘干溫度設(shè)定在100℃，取最正確條件下的中間沉淀物的質(zhì)量，焙燒時(shí)間分別為：30min，50min，70min，90min。然后確定最正確的焙燒時(shí)間，如圖9查看焙燒之后中間沉淀物的質(zhì)量變化。由圖可知，焙燒時(shí)間大概在70min的時(shí)候中間沉淀物質(zhì)量不再減少，所以最快的焙燒時(shí)間是在70min左右變化，也是本實(shí)驗(yàn)在100℃的焙燒溫度下最節(jié)省時(shí)間的焙燒時(shí)間。焙燒時(shí)間〔min〕中間沉淀物質(zhì)量〔g〕焙燒時(shí)間〔min〕中間沉淀物質(zhì)量〔g〕圖9中間沉淀物的質(zhì)量隨焙燒時(shí)間的變化煅燒的最正確時(shí)間這是最關(guān)鍵的一步，將煅燒的溫度設(shè)定在400℃，實(shí)驗(yàn)條件是稱取5g的ZnSO4·7H2O，參加30mL的0.5mol/L的氨水水溶液，在常溫下反響，攪拌速度為200r/min。將焙燒好的中間沉淀物進(jìn)行煅燒，時(shí)間分別設(shè)定在1h、2h、3h、4h，具體數(shù)據(jù)如圖10所示：煅燒時(shí)間大概在3小時(shí)左右，此時(shí)前驅(qū)體分解接近完全。煅燒后的質(zhì)量〔g〕煅燒時(shí)間〔h〕煅燒后的質(zhì)量〔g〕煅燒時(shí)間〔h〕圖10煅燒產(chǎn)物隨煅燒時(shí)間的質(zhì)量變化結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)通過控制各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)因素，進(jìn)行比照，最后得出最正確的實(shí)驗(yàn)條件，具體因素如下：〔1〕100mL水中ZnSO4·7H2O的參加量，也就是濃度，對(duì)粒度影響較大，因?yàn)殡S著濃度的增加，溶液中粒子碰撞的幾率就越大，因而團(tuán)聚也就越嚴(yán)重，所以本實(shí)驗(yàn)選擇參加5g的ZnSO4·7H2O。將化學(xué)純的氨水溶解于水中，配置成0.5mol/L的水溶液，本次針對(duì)氨水的實(shí)驗(yàn)做了三組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)參加30mL氨水水溶液時(shí),Zn(OH)2與ZnCO3的比例大概1:1，兩種物質(zhì)都不會(huì)產(chǎn)生太大的團(tuán)聚現(xiàn)象，比擬均衡。所以氨水水溶液最正確的參加量是30mL實(shí)驗(yàn)的溫度對(duì)反響的影響，隨著溫度的增加反響速率加快，分子碰撞的時(shí)機(jī)增大，團(tuán)聚的機(jī)率增加，由于氨水在水溶液中以NH4+和OH-的形式存在，同時(shí)由于NH4+的水解是吸熱反響，隨著溫度的增加，NH4+和OH-離子減少，所以導(dǎo)致Zn(OH)2減少，ZnCO3增加，打破它們的均衡，使得ZnCO3容易發(fā)生團(tuán)聚。所以最正確的溫度是在常溫下進(jìn)行的。攪拌速度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，隨著攪拌速度的增加，團(tuán)聚的出現(xiàn)將會(huì)減少，而攪拌速度過大就容易出現(xiàn)漩渦，容易濺出，對(duì)反響不利，所以本實(shí)驗(yàn)采用的最正確的攪拌速度是200r/min。焙燒時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響不大，只要焙燒時(shí)使沉淀物中的水分子全部蒸發(fā)出來即可。最正確的焙燒時(shí)間70min。400℃下煅燒的最正確時(shí)間在3h左右。致謝非常感謝張學(xué)政張老師在我大學(xué)的最后的學(xué)習(xí)階段給自己的指導(dǎo)，從最初的翻譯，到開題報(bào)告，到畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，論文，給我了耐心的指導(dǎo)和無私的幫助，是張老師以及其他的專業(yè)課老師教會(huì)了我專業(yè)知識(shí)，教會(huì)了我如何做人。也是由于它們的勞心勞力的關(guān)心和指導(dǎo)才使各方面取得了顯著的進(jìn)步，在此我衷心的感謝張老師以及其他的專業(yè)課老師，希望他們能培養(yǎng)出更多的人才通過這段時(shí)間的的努力，我的畢業(yè)論文終于完成了。寫作畢業(yè)論文是再一次的學(xué)習(xí)的過程，它的完成同樣意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始，由學(xué)校轉(zhuǎn)變到社會(huì)，我會(huì)銘記我是河北科技大學(xué)的一名學(xué)子，在今后的工作中會(huì)將科大的優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚(yáng)光大。最后感謝張老師以及其他專業(yè)課的老師，各位同學(xué)的指導(dǎo)與幫助，謝謝！參考文獻(xiàn)[1]張永康，劉建本，易保華.常溫固相反響合成納米氧化鋅[J].精細(xì)化工，2000，17(6)：343~344，355[2]孫志剛，胡黎明.氣相法合成納米顆粒的制備技術(shù)進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，1997，16(2)：21~24[3]建偉，劉有智，張艷輝.超重力技術(shù)制備納米氧化鋅的工藝研究[J].化學(xué)工程師，2001，86(5)：22~23[4]祖庸，劉超鋒，李曉娥.均勻沉淀法合成納米氧化鋅[J].現(xiàn)代工業(yè)，1997，17(9)：33~35[5]楊秀培.納米氧化鋅制備研究進(jìn)展[J].四川師范學(xué)院學(xué)報(bào).2003,24〔3〕：347~351[6]張偉，王風(fēng)珠.利用立式振動(dòng)磨制備超細(xì)粉的研究.1997,28〔5〕：511-513[7]劉珍，梁偉，許并社等納米材料制備方法及其研究進(jìn)展.材料科學(xué)與工藝，2000，8〔3〕：103~108[8]李斌，杜芳林.沉淀法制備納米氧化鋅粉體.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,25〔1〕：21~25[9]劉超峰，胡行方，祖庸以尿素為沉淀劑制備納米氧化鋅粉體，無機(jī)材料學(xué)報(bào)2002,11〔27〕：15；49[10]沈興海，高宏成.納米微乳液制備法.化學(xué)通報(bào)，1995,〔11〕：6~9[11]晉傳貴，朱偉長，方道來，等．沉淀轉(zhuǎn)化法制備納米氧化鋅[J]．精細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