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水热法合成纳米氧化锌

水热法合成纳米氧化锌

一、引言

二、实验部分

2.1实验仪器

集热恒温磁力搅拌器山东鄄城永兴仪器厂2(加搅拌子2)

X射线衍射仪(DX-2000型)丹东方圆仪器有限公

1

光学显微镜 1

恒温干燥箱 1

聚四氟乙烯高压反应釜编号100-25、100-44 2

马弗炉 1 量筒(50ml) 1

烧杯3个100ml、2个150ml

坩埚 1

玻璃棒 1

培养皿 2

抽滤瓶 1

载玻片 2

2.2实验药品

草酸天津市元立化工有限公司分析纯氢氧化钠天津市福晨化学试剂厂分析纯

硝酸锌天津市天大化工试剂厂分析纯

氨水天津市元立化工有限公司25% 无水乙醇天津市风船化学试剂有限公司分析纯

去离子水

2.3实验内容

2.3.1水热合成纳米氧化锌

称取8.9482gZn(NO3).6H2O固体溶解于20ml去离子水中,在充分搅拌条件下缓慢滴加2 5%的浓氨水,至生成的沉淀恰好消失为止( p H≈10 ),得到前驱体溶液(其浓度认为等于Zn的浓度)。将上述溶液转移到聚四氟乙烯内胆的高压釜中,保持其填充度为80%。在180℃下反应3h后,自然冷却至室温。抽滤并收集白色沉淀,然后用去离子水反复冲洗以除去吸附的多余离子,于90℃烘箱中干燥以备表征。

2.3.2草酸高温合成纳米氧化锌

称取3.111gZn(NO3).6H2O溶解于20ml去离子水,在充分搅拌情况下缓慢滴加滴加草酸溶液(1~2d每秒为宜),使之沉淀完毕,搅拌0.5h,进行抽滤,用去离子水和无水乙醇洗涤,放入90℃烘箱干燥2h,然后高温700℃灼烧2h。

2.3.3在玻璃基体上生长纳米氧化锌阵列

(1)晶种层的制备

载玻片衬底先后在稀氢氟酸、氢氧化钠溶液、去离子水和无水酒精中超声清洗,然后放入烘箱中烘干备用。

Z n O种子液配制如下:制备等量的0.001mol/L和0.002mol/L的硝酸锌溶液,于磁力搅拌下分别缓慢滴加稀氨水,直至沉淀消失,在60℃水浴30min获得均匀澄清溶液采用浸渍提拉法在清洁衬底上涂敷Z n O凝胶膜:浸人种子液的浸渍时间为1 min,提拉速度0 .8 5 m m/s,8 0℃烘箱烘干,重复以上操作3次,最后将涂有薄膜的衬底进行热处理5 5 0℃,保温 1.5h 。最终获得晶种膜。

(2)水溶液生长

一定量的硝酸锌和氨水( 2 5 %) 加入去离子水中。配制20ml的生长液。搅拌均匀并密封,锌浓度范围为0.001mol/L。氨水和硝酸锌的物质的量的比为4:1至11:1,将有晶种层的衬底放人装有生长液的密封反应釜中。于9 0℃水浴中保持6h。硝酸溶液( p H = 0.4 ) 和氨水(2 5 %) 被用来进行生长液p H值( 8.2~9.8) 的原位二次调整。最后合成的薄膜用去离子水清洗,空气中晾干。

三、结果与讨论

3.1纳米氧化锌的XRD表征谱图

两组纳米氧化锌粉末进行XRD测试,设置扫描范围20°~70°,扫描速度0.1,铜靶波长1.54184?。两者对照谱图如下:

20

30

40

50

60

70

4000

8000

12000

16000

20000

24000

衍射强度

2 XRD 测试图

水热法 草酸灼烧

由上图可以看出,两组的衍射峰都很尖锐,说明两组样品结晶程度较高,无杂峰,纯度也较高。但水热法的衍射峰比草酸法要稍高一些,说明结晶比草酸灼烧法要完整,效果要好。所制备的两组氧化锌具有六角纤锌矿型ZnO 晶体结构,衍射晶面依次为(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201),与体相ZnO 标准值(JCPDS card 36-1451)一致。 3.1.1水热法合成纳米氧化锌

利用谢乐公式计算晶粒尺寸:D= K λ/βcos θ:

2θ/° 29.494 31.868 34.513 36.341 47.628 56.703 62.842 66.355 67.935 69.056 β 0.349 0.215 0.196 0.235 0.255 0.278

0.311

0.320

0.294

0.296

D/nm

23.307

38.048

42.024

35.229

33.716

32.148 29.625 29.365 32.255 32.251

D(average)/nm

29.860

3.1.2草酸合成纳米氧化锌

2θ/° 31.791 34.459 36.283 47.592 56.642 62.928 66.436 68.018 69.135 β 0.18 0.228 0.207 0.242 0.221 0.251 0.23 0.256 0.25 D/nm

45.437

36.121

39.987

35.522

40.428

46.735

40.874

37.060

38.203

D (average )/nm 38.262

由计算可知,以上两组实验得到的样品颗粒在纳米尺寸范围内。可以发现,水热得出的颗粒比高温灼烧尺寸小。证明水热法的实验效果比草酸沉淀法要好一些,粉体晶粒发育较完善。

3.2纳米氧化锌粉体的形貌

利用光学显微镜对两组实验样品进行形貌观察

3.3纳米氧化锌的荧光测试

对两组样品进行荧光测试,激发波长为250nm ,激发狭缝和发射狭缝均为20nm ,负高压为100kv ,扫描范围200~650。

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

1.5

2.02.5

3.0

3.5

4.0

4.5

荧光

强度波长/nm

水热法

图表一、水热法氧化锌的荧光测试

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

荧光

强度波长/nm

草酸法

图表二、草酸沉淀法的荧光测试

两图均在398nm 、455nm 、550nm 处有强的发射峰,对应于紫光区

(390nm~460nm )和绿光区(500nm ~ 570nm )。所以氧化锌发出的是紫绿光。

3.4

玻璃基片上成长纳米氧化锌阵列

玻璃基片上成长氧化锌的实验,我组做了两次:

1.由于在搅拌过程中往硝酸锌溶液中添加氨水过快,导致氨水含量极大地超标,没有得到锌离子的溶胶凝胶溶液,造成了实验的失败。

2.改进实验措施,采用更稀的0.001mol/L 的硝酸锌溶液,滴加氨水前,也先稀释了氨水,并提前算好应加入的量,得出了样品。在光学显微镜下,我们在玻璃衬底下看见水滴似的结构,不能确定这种现象是否由清洗玻片过程中,氢氟酸刻蚀玻片造成。没有事先采用一个空余玻璃片作为对比组,另外光学显微镜下镜片中的污垢也造成了观察的困难。

由于制作的两玻璃衬底上形成的氧化锌薄膜太薄,XRD ,荧光的现象不明显。

四、结论

本次实验分别采用了水热法和高温灼烧法进行了纳米氧化锌的制备与纳米氧化锌阵列的生长并通过XRD 、分子荧光光谱法等分析测试手段,对纳米氧化锌粉体的纯度和形貌进行了分析和研究。其中由于PH 的不同,水热法制备纳米氧化锌晶粒纯度高、结晶较好、分散性良好,其效果明显好于高温灼烧法;而对于纳米氧化锌阵列的生长的两次实验,第一次由于氨水过量导致实验完全失败;第二次的改进方案由于缺少对照及玻璃片清洗不干净造成实

验结果不明显,无较好的图形与数据,造成实验的失败。

本次试验的收获是了解纳米氧化锌的制作方法以及纳米氧化锌阵列的生长情况,并对其形貌特征有了初步的了解;教训是实验中,实验态度不够严谨,实验思路不够清晰,以后遇到此类情况应根据实际情况不断的改进试验方法以求得实验的成功。

纳米材料是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展.有着重要影响的研究对象,也是纳米科技中最活跃、最接近应用的重要组成部分。其中纳米氧化锌在紫外线屏蔽、抗菌除臭、橡胶工业、涂料工业、光催化材料、气敏、压电材料、吸波材料等方面有许多优异的物理性能和化学性能。因此,此次实验在某种程度上能够具有一定的现实意义。

参考文献:

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报,5,2010,63(12).

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[3]王佳,高峰.Z n O微晶的水热合成及形貌控制研究[J].化学研究,2008.3,18(1).

[4]余可,靳正国,刘晓新,冯俊怡,刘志锋.氨水溶液制备Z n O纳米晶阵列的研究[J]无机化学学报,2010.11,11.