納米ZnO的制備及表征

化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：納米ZnO的制備及表征.年級(jí):2015級(jí)材料化學(xué)日期：2017/09/20姓名：汪鈺博學(xué)號(hào)：222015316210016同組人:向澤靈預(yù)習(xí)部分1.1氧化鋅的結(jié)構(gòu)氧化鋅（ZnO）晶體是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬六方晶系，為極性晶體。氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)中，Zn原子按六方緊密堆積排列，每個(gè)Zn原子周圍有4個(gè)氧原子，構(gòu)成Zn-O4配位四面體結(jié)構(gòu)，四面體的面與正極面C(00001)平行，四面體的頂角正對(duì)向負(fù)極面(0001)，晶格常數(shù)a=342pm,c=519pm,密度為5.6g/cm3，熔點(diǎn)為2070K,室溫下的禁帶寬度為3.37eV.如圖1-1、圖1-2所示：圖1-1ZnO晶體結(jié)構(gòu)在C(00001)面的投影圖1-2ZnO纖鋅礦晶格圖2氧化鋅的性能和應(yīng)用納米氧化鋅(ZnO)粒徑介于1-100nm之間,由于粒子尺寸小,比表面積大,因而,納米ZnO表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)如無毒、非遷移性、熒光性、壓電性、能吸收和散射紫外線能力等,利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、殺菌、圖象記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。同時(shí)氧化鋅材料還被廣泛地應(yīng)用于化工、信息、紡織、醫(yī)藥行業(yè)。納米氧化鋅的制備是所有研究的基礎(chǔ)。合成納米氧化鋅的方法很多,一般可分為固相法、氣相法和液相法。本實(shí)驗(yàn)采用共沉淀和成核/生長隔離技術(shù)制備納米氧化鋅粉。3氧化鋅納米材料的制備原理不同方法制備的ZnO晶形不同，如：3.1共沉淀和成核/生長隔離法借助沉淀劑使目標(biāo)離子從溶液中定量析出是材料制備領(lǐng)域液相法的重要技術(shù)。常規(guī)共沉淀制備是將鹽溶液與堿溶液直接混合并通過攪拌的方式實(shí)現(xiàn)，由于混合不充分，反應(yīng)界面小、存在濃度梯度、反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度慢，先沉淀的粒子上形成新沉淀粒子，新舊粒子的同時(shí)存在，導(dǎo)致粒子尺寸分布極不均勻。使合成材料的粒子尺寸和均分散性能受到很大影響，其各種動(dòng)力學(xué)因素。4.2X射線衍射(XRD)分析每種晶體的結(jié)構(gòu)與其Ｘ射線衍射圖之間都有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，其特征X射線衍射圖譜不會(huì)因?yàn)樗N物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生變化，這就是Ｘ射線衍射物相分析方法的依據(jù)。制備各種標(biāo)準(zhǔn)單相物質(zhì)的衍射花樣并使之規(guī)范化，將待分析物質(zhì)的衍射花樣與之對(duì)照，從而確定物質(zhì)的組成相，就成為物相定性分析的基本方法。鑒定出各個(gè)相后，根據(jù)各相峰的強(qiáng)度正比于改組分存在的量，就可對(duì)各種組分進(jìn)行定量分析。目前常用衍射儀法得到衍射圖譜，用“粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合會(huì)（JCPDS）”負(fù)責(zé)編輯出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”進(jìn)行物相分析。4.3掃描電子顯微鏡（SEM）分析掃描電子顯微鏡是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的人射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射?？梢垣@取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)等。4.4BET比表面及孔徑分布測定物質(zhì)的比表面積（1g吸附劑所具有的內(nèi)外面積之和）大小和孔徑分布情況，是評(píng)選催化劑、氣敏材料、了解固體表面性質(zhì)的重要參數(shù)。其理論依據(jù)是1938年Brunauer、Emmett和Teller三人在1916年Langmuer吸附理論基礎(chǔ)上，從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論推導(dǎo)出的多分子層吸附公式基礎(chǔ)上，即著名的BET方程。二、實(shí)驗(yàn)部分（一）實(shí)驗(yàn)原理納米ZnO制備以氯化鋅為原料、氫氧化納為沉淀劑制備納米ZnO的反應(yīng)方程式如下:沉淀反應(yīng)：熱處理：2)X衍射粒度測定（物相分析見X衍射講義）在X衍射圖譜中，材料在某個(gè)晶面的厚度與衍射角存在如下關(guān)系：D為粉末平均粒徑(nm);λ=0.154nm,為X射線波長;β為2θ所對(duì)應(yīng)的衍射峰的半高寬（FWHM）；θ為半衍射角，該公式稱為Scherrer公式。對(duì)于納米粉體材料而言，晶體的大小等于顆粒的大小，即為粒徑；因此對(duì)于球形顆粒D就可以直接表示其粒徑，不過在計(jì)算D時(shí)，β通常選擇最強(qiáng)峰的半高寬。對(duì)于其它形狀的顆粒，可以以最強(qiáng)的三個(gè)峰的平均值來表示。3）比表面積與粒徑的關(guān)系（比表面積測定原理見比表面儀講義）納米材料的表面效應(yīng)即納米微粒表面原子與總原子數(shù)之比隨納米微粒尺寸的減小而大幅增加，粒子的表面能及表面張力也隨之增加，從而引起納米材料性質(zhì)變化。因此納米材料的粒徑的大小很大程度上決定了材料的性質(zhì)。對(duì)粉體材料的粒徑測量可以通過其比表面積的測定得到，比表面積與粒徑的關(guān)系可表示為:：比表面積(m2/g)；；粒子的理論密度；D；粒子平均直徑；k；形狀因子。對(duì)球形粒子，k取6由上式可知，隨顆粒尺寸的減小，粒子的表面積迅速增加。因此，測得了比表面積就可計(jì)算出比粒徑：（二）實(shí)驗(yàn)步驟稱取0.03mol氯化鋅配成0.2mol/l溶液，用稀鹽酸緩慢調(diào)節(jié)溶液pH值到溶液澄清為止。稱取0.06mol氫氧化鈉配成1mol/l溶液待用；在磁力攪拌條件下，把氫氧化鈉滴加到氯化鋅溶液中，整個(gè)過程保持?jǐn)嚢?，滴加完畢后把溶液pH值調(diào)到9～10陳化2h以上；抽濾，洗凈，在105℃烘箱中烘2h，研磨以待檢測。樣品做XRD衍射，并打印圖譜；同時(shí)測比表面積。（儀器操作另見講義）。注意：陳化時(shí)間至少2小時(shí)（可在上午反應(yīng)完后下午過濾）；樣品因洗凈到無氯離子?？刂茪溲趸c滴加速度，在20min左右滴加完畢。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1、納米ZnO的制備及表征1.光譜圖2.分析小結(jié):由圖可知，在31.5、34.21、36.01、47.29、56.37處有較強(qiáng)的峰，對(duì)比氧化鋅的PDF卡片可知樣品中的主要成分為氧化鋅，但是個(gè)最高峰的值都不是特別高，可以知道結(jié)晶度并不高，原因可能是陳化時(shí)間不夠，或者是pH值未調(diào)到最佳值。在圖中還能看到32.6、33.34、37.66、44.66、58.11等處有較弱的峰，與Zn5(OH)8Cl2`H2O的PDF卡片對(duì)比