納米硫化鋅的制備及表征

納米硫化鋅的制備及表征

20世紀(jì)80年代末，納米技術(shù)在尺寸1.10mn之間的物質(zhì)組成系統(tǒng)中得到了迅速發(fā)展，包括運(yùn)動(dòng)規(guī)律、相互作用和實(shí)際應(yīng)用。納米硫化鋅不溶于水,易溶于酸,見光色暗,空氣中被氧化成氧化鋅,納米硫化鋅通常用于太陽能的利用及環(huán)保型儲(chǔ)能材料的開發(fā),納米硫化鋅發(fā)光體具備快響應(yīng)、低閡值的光學(xué)性質(zhì)。通過采用不同的摻雜劑的加入,得到不同波段的可見發(fā)射光,因此是一種很有潛力的光子材料。1.2.2化工領(lǐng)域硫化鋅有良好的光學(xué)性質(zhì),可以作為熱固性塑料、熱塑性塑料、強(qiáng)化纖維玻璃、阻燃劑、人造橡膠以及分散劑組,硫化鋅有著高折光系數(shù)和耐磨性,故硫化鋅顏料突出表現(xiàn)在器材、蠟紙、金屬板上具有比較高的遮蓋力。1.2.3光催化領(lǐng)域納米硫化鋅可以產(chǎn)生光子空穴、量子尺寸效應(yīng),導(dǎo)致能級(jí)改變、能隙變寬使其氧化還原能力增強(qiáng),作為一種光子材料來說,是優(yōu)異的光催化半導(dǎo)體。2納米硫化鋅的制備方法當(dāng)今納米硫化鋅的制備方法大致分為三種:固相法、液相法和氣相法。固相法是將固體反應(yīng)物研細(xì)后直接混合,機(jī)械作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),制得納米顆粒,所以具備工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)率高、顆粒粒子穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。固相反應(yīng)的化學(xué)過程包括擴(kuò)散-反應(yīng)-成核-生長四個(gè)階段,當(dāng)產(chǎn)物成核速度大于生長速度時(shí),有利于生成納米微粒;而當(dāng)成核的速度小于生長的速度時(shí),則不利于形成納米微粒。因此,實(shí)際中采取有少量水的存在,形成濕固相反應(yīng)的情境,利于擴(kuò)散和反應(yīng),從而達(dá)到更易于生成納米微粒的結(jié)果。(濕)固相反應(yīng)的突出優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)為:粒徑均勻、合成工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好且可以避免或減少液相反應(yīng)中易出現(xiàn)的硬團(tuán)聚現(xiàn)象等。綜上,本文用固相法制備納米硫化鋅并對(duì)其性能進(jìn)行研究。配制一定量的醋酸鋅飽和溶液,加熱蒸發(fā)掉部分水,重結(jié)晶,抽濾。按化學(xué)計(jì)量比稱量定量的醋酸鋅和研磨好的硫化鈉,于研缽混合均勻,充分研磨40min,完全反應(yīng),用去離子水和無水乙醇分別洗滌兩次,最后放入稀氨水中洗滌一次,使其成堿性,抽濾,干燥箱中750℃干燥12個(gè)小時(shí)后,充分研磨,得到白色產(chǎn)物,放入馬沸爐煅燒。摻入適量的氯化鈉或溶劑如乙二醇作為分散劑來制備納米硫化鋅,在實(shí)驗(yàn)中其余過程與上述相同。3.2粒徑的測(cè)定ZnS顆粒采用MalvemMS2000激光粒度儀測(cè)試樣品粒徑。3.3X衍射測(cè)定制備的納米硫化鋅用X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定條件:Cu靶K2,X射線,工作電壓:40KV,電流:20mA。3.4紅外光譜測(cè)定美國Nieolet型富立葉變換紅外光譜儀測(cè)試樣品硫化鋅的紅外光譜,采用KBr壓片。4結(jié)果與討論4.1研磨時(shí)間對(duì)粒徑的影響固相化學(xué)反應(yīng)要經(jīng)歷晶核的擴(kuò)散、反應(yīng)、產(chǎn)物的成核和生長等步驟,所以研磨時(shí)間對(duì)粒徑的大小會(huì)有影響,通過改變研磨時(shí)間,研究得到粒徑的最佳時(shí)間。表1可以看出,研磨時(shí)間的增長,納米硫化鋅的平均粒徑先減小后又增大,研磨10~30分鐘,研磨時(shí)間短,得到生成物,研磨不充分,反應(yīng)物分子還沒充分?jǐn)U散接觸,使晶格擴(kuò)散的速度變慢,晶核生成與晶核長大的相對(duì)速度增大,從而加速了晶格的擴(kuò)散,使生成硫化鋅粒子粒徑變大;研磨40~50分鐘,研磨充分,反應(yīng)物分子充分?jǐn)U散反應(yīng),晶核生成與晶核長大的相對(duì)速度減小,生成的硫化鋅粒子粒徑明顯變小;研磨60分鐘以后,雖然研磨很充分,但反應(yīng)時(shí)間太長,生成的硫化鋅晶核生長速度增大,生成的硫化鋅粒子的粒徑變大,所以研磨40~50分鐘是最佳的研磨時(shí)間。4.2分散劑對(duì)粒徑的影響分散劑是指在固相反應(yīng)中,不參與反應(yīng)的惰性物質(zhì),故可以通過加入不同但適當(dāng)?shù)姆稚┦狗磻?yīng)物更加分散,混合更均勻,延緩產(chǎn)物顆粒的生長速度,使生成的粒子粒度減小。為此,通過改變分散劑來改變粒徑的大小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。表2可以看出加入氯化鈉和乙二醇后,硫化鋅的粒徑減小,用氯化鈉作分散劑能得到更好的粒徑。原因可能是利用同離子效應(yīng),氯化鈉做分散劑能使粒徑分散的更加均勻。4.3煅燒溫度對(duì)納米體結(jié)構(gòu)的影響圖1、圖2、圖3為不同煅燒溫度下的納米硫化鋅的X射線衍射圖。圖1、圖2的衍射峰明顯寬化,說明ZnS粉體的粒度非常小。150℃時(shí)產(chǎn)物為晶格發(fā)育較為完整的硫化鋅,但寬化的比較大。隨溫度升高,到300℃時(shí),衍射峰變的窄而尖銳,說明晶粒平均粒徑在增大,但產(chǎn)物晶格發(fā)育已經(jīng)完整。圖3可以看到,450℃時(shí),X射線衍射圖上已經(jīng)轉(zhuǎn)化為氧化鋅峰,說明硫化鋅已經(jīng)被氧化。通常情況下無氣體保護(hù),根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)(△GΦ=A+BT):ZnS+1/2O2=ZnO,硫化鋅在450℃不能轉(zhuǎn)化成氧化鋅。本實(shí)驗(yàn)是在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下進(jìn)行煅燒的,但在450℃時(shí)已經(jīng)發(fā)生氧化反應(yīng)了,原因可能是硫化鋅粉體的粒徑較小,使其更容易在較低溫度下發(fā)生氧化反應(yīng),從而轉(zhuǎn)化成氧化鋅。5納米硫化鋅表征的研究將制得的納米硫化鋅進(jìn)行紅外譜圖分析,如圖4所示:實(shí)驗(yàn)中制備ZnS樣品在420~460cm處看不到對(duì)應(yīng)的Zn一O拉伸振動(dòng)的吸收峰,表明樣品沒有或基本上沒有被氧化為ZnO,這表明在反應(yīng)體系中充入惰性氣體Ar,排除氧氣,結(jié)合水浴回流裝置能有效地防止納米ZnS的氧化。在2900~3600cm也看不到水的一OH基團(tuán)的吸收峰,這就表明真空干燥可以有效地去除吸附在顆粒上的水分。排除在測(cè)試過程中可能引入少量的雜質(zhì)吸收峰外,在4000cm也是基本無吸收峰,所以證明該納米ZnS呈現(xiàn)出良好的紅外透明性,是一種優(yōu)良的紅外透光材料。6結(jié)論6.1本文用固相反應(yīng)方法制備納米級(jí)硫化鋅,實(shí)驗(yàn)選擇醋酸鋅和硫化鈉做為反應(yīng)物,研磨時(shí)間最好為40~50min,加入少量的乙二醇和氯化鈉后,可以制備平均粒徑19~24nm,產(chǎn)品純度高,粒度均勻,分散性好的硫化鋅粉體。6.2通過不同煅燒溫度下的ZnS的X射線衍射圖,可以看出在150℃下晶格發(fā)育較為完整的硫化鋅,但寬化的比較大;300℃下衍射峰變的窄而尖銳,說明晶粒平均粒徑在增大,但產(chǎn)物晶格發(fā)育已經(jīng)完整。但到了450℃在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下已經(jīng)轉(zhuǎn)化為ZnO,進(jìn)一步說明所制備硫化鋅粒徑