实验七沉淀法制备纳米氧化锌粉体
一、实验目的
1、了解沉淀法制备纳米粉体的实验原理。
2、掌握沉淀法制备纳米氧化锌的制备过程和化学反应原理。
3、了解反应条件对实验产物形貌的影响，并对实验产物会表征分析。
二、实验原理
氧化锌是一种重要的宽带隙(3.37 eV)半导体氧化物，常温下激发键能为60 meV。近年来，低维（0维、1维、2维）纳米材料由于具有新颖的性质已经引起了人们广泛的兴趣。氧化锌纳米材料已经应用在纳米发电机、紫外激光器、传感器和燃料电池等方面。通常的制备方法有蒸发法、液相法。我们在这里主要讨论沉淀法。
沉淀法是指包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂(如OH--，CO32-等)后，或在一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，得到所需的化合物粉料。
均匀沉淀法是利用化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来。而加入的沉淀剂不是立即在溶液中发生沉淀反应，而是通过沉淀剂在加热的情况下缓慢水解，在溶液中均匀地反应。
纳米颗粒在液相中的形成和析出分为两个过程，一个是核的形成过程，称为成核过程；另一个是核的长大，称为生长过程。这两个过程的控制对于产物的晶相、尺寸和形貌是非常重要的。
制备氧化锌常用的原料是可溶性的锌盐,如硝酸锌Zn(NO3)2、氯化锌ZnCl2、醋酸
锌。常用的沉淀剂有氢氧化钠（NaOH ）、氨水（NH 3. H 2O ）、尿素（CO(NH 2)2）。一般情况下，锌盐在碱性条件下只能生产Zn(OH)2沉淀，不能得到氧化锌晶体，要得到氧化锌晶体通常需要进行煅烧高温。均匀沉淀法通常使用尿素作为沉淀剂，通过尿素分解反应在反应过程中产生NH 3 H 2O 与锌离子反应产生沉淀。反应如下：
O H NH CO O H NH CO 23222223)(?+→+ (1)
OH -的生成：
-++→?OH NH O H NH 423 (2)
CO 32-的生成：
O H CO NH CO O H NH 223422322++→+?-+ (3)
形成前驱物碱式碳酸锌的反应：
()↓??→+++--+O H OH Zn ZnCO O H OH CO Zn 2232232243 (4)
热处理后得产物ZnO ：
()O H CO ZnO O H OH Zn ZnCO 22223232+↑+→?? (5)
本实验通过Zn(NO 3)2和NaOH 之间反应得到的Zn(OH)42-进行热分解反应制备了氧化锌纳米晶体。用NaOH 作沉淀剂一步法直接制备纳米氧化锌的反应式如下：
↓→+-+22)(2OH Zn OH Zn (6)
--→+2
42)(2)(OH Zn OH OH Zn (7)
--++↓→OH O H ZnO OH Zn 2)(224 (8)
该实验方法过程简单，不需要后煅烧处理就可得到氧化锌晶体，而且可以通过调控Zn 2+/OH ￣的摩尔比控制氧化锌纳米材料的形貌。
三、实验仪器与试剂
仪器：恒温水浴、磁力搅拌器、离心机、温度计、烧杯、烧瓶、电子天平。
试剂：硝酸锌Zn(NO3)2·6H2O、氢氧化钠NaOH、蒸馏水、乙醇
四、实验步骤
用NaOH作沉淀剂一步法直接制备纳米氧化锌。
实验方案一产物为柱状结构
1、在室温下，在烧杯中称取0.3 g Zn(NO3)2·6H2O（0.001 mol）然后加入40 mL蒸馏水，搅拌5分钟配成无色澄清的溶液。
2、在室温下，在烧杯中称取0.8 g NaOH (0.02 mol) 然后加入40 mL 蒸馏水，搅拌5分钟配成无色澄清的溶液。
3、在室温下，将Zn(NO3)2溶液快速滴加到NaOH的溶液中，磁力搅拌5分钟得到无色透明溶液。
4、将透明溶液转移到150mL烧瓶中在80 °C 的水浴中反应2 h。观察实验现象，并记录时间。
5、将生产的白色沉淀物分别用水和酒精洗涤3次，进行离心分离后，放在烘箱中60 °C 下干燥10 h后得到粉体。
（Zn2+/OH￣的摩尔比为1 ：20）
实验方案一产物80°C产物的XRD图证明产物为六角相的氧化锌
图1 以Zn(NO3)2为锌源80 °C下反应6 h得到的纳米结构ZnO的XRD图谱. 实验方案一80°C产物的SEM表征
图2. NaOH浓度为0.25 mol/L，80 °C下不同反应时间合成ZnO纳米结构的SEM照片
(A)5 min；(B)30 min；(C)6 h (Zn2+/OH￣的摩尔比为1 : 20)
图1以Zn(NO3)2为锌源，NaOH浓度为0.25 mol/L时，Zn2+/OH￣的摩尔比为1 : 20，80 °C反应6 h所得产物ZnO的XRD图谱，全部衍射峰与标准图谱(JCPDS No. 36–1451)符合一致。晶格常数a = 0.3249 nm，c = 0.5206 nm，与六角结构的数据相吻合。并且从图谱中可以得出，合成的ZnO不需要煅烧就具有良好的结晶度。
实验方案一180°C产物
图3为以Zn(NO3)2为锌源，NaOH浓度为0.25 mol/L时，Zn2+/OH￣的摩尔比为1 : 20，80 °C下水浴处理不同反应时间合成的花状结构ZnO的SEM照片。当反应进行5 min 后，反应液中出现少量的白色沉淀，取样观察发现(图2A)，花状结构的ZnO已经存在，尺寸为1.5–2.5 μm。图2A高倍数放大照片，可以清楚地看到花状结构的ZnO是由许多圆锥组成，圆锥的尺寸是沿着轴向长度而降低，圆锥的表面是粗糙的。反应30 min后，取样观察，生成的ZnO的纳米结构的形貌如图2B所示，ZnO仍为花状结构，花状结构的尺寸没有发生明显的变化，从2B的高倍数放大照片可以看出，组成花状结构的圆锥的底部呈现六棱锥结构，六棱锥的表面是光滑的，而圆锥的顶部与反应5 min后取样
观察的圆锥的顶部的形貌没有什么明显的变化，表面仍然很粗糙。反应6 h后，取样观察发现，生成花状结构的ZnO完全是由六棱锥组成，棱锥的表面十分光滑(图2C)。随着反应时间的延长，生成的ZnO的结晶度得到提高。
图3. NaOH浓度为0.25 mol/L，180 °C下6 h合成ZnO纳米结构的SEM照片(Zn2+/OH￣的摩尔比为1 : 20)
实验方案二产物为纳米片
1、在室温下，在烧杯中称取1.5 g Zn(NO3)2·6H2O（0.005 mol）然后加入40 mL蒸馏水，搅拌5分钟配成无色澄清的溶液。
2、在室温下，在烧杯中称取0.8 g NaOH (0.02 mol) 然后加入40 mL 蒸馏水，搅拌5分钟配成无色澄清的溶液。
3、在室温下，将Zn(NO3)2溶液快速滴加到NaOH的溶液中，磁力搅拌得到白色的悬浊溶液。
4、将悬浊溶液转移到150mL烧瓶中在80 °C 的水浴中反应2 h。
5、将白色沉淀物分别用水和酒精洗涤3次，进行离心分离后，放在烘箱中60 °C下干
燥10 h后得到粉体。
（Zn2+/OH￣的摩尔比为1 ：4）
实验方案二80°C产物
图4是Zn(NO3)2浓度为0.06 mol/L时，Zn2+/OH￣的摩尔比为1 : 4，80 °C下反应6 h生成的ZnO纳米结构的电镜照片。低放大倍数的SEM照片(图4A)可以看出，产物为形貌均一的球形聚集体，尺寸为1–3 μm。通过高放大倍数的照片(图4B)可以清楚地看到球形聚合体是由ZnO纳米片组成，纳米片的厚度为10–20 nm，侧向尺度为几百纳米到一微米。从扫描电镜照片中可以清楚的看到纳米片的表面十分光滑，但纳米片边缘不平滑。有趣的是这些球形聚合体是沿某些特定方向生长的，如图4–9A上箭头所示。这种聚合体结构是很难分散开的，若想得到一些分散的纳米片，必须经过长时间的超声震荡。透射电镜照片(图4C)进一步证明了这种片状结构，不过从透射电镜照片中可以明显地看到，纳米片的表面存在很多小孔，而且纳米片的边缘也是十分不规则的。单个纳米片的选区电子衍射(SAED)花样(图4C)，证明ZnO纳米片是单晶，并且纳米片沿[001]和[100]方向生长。从高分辨透射电镜(HRTEM)照片上可以清楚地看到纳米片表面原子排列规则，晶面间距为0.26 nm与ZnO(002)晶面相对应，这说明ZnO纳米片具有很好的结构性和生长方向性。
图4. Zn(NO3)2浓度为0.06mol/L时，80 °C 下反应6 h生成的ZnO纳米结构的SEM(A，
B)，TEM(C)和HRTEM(D)照片(Zn2+/OH￣的摩尔比为1 : 4)。
实验方案二180 °C产物
图5. Zn(NO3)2浓度为0.06mol/L时，180 °C 下反应6 h生成的ZnO纳米结构的SEM(A)，TEM(B)和HRTEM照片。(Zn2+/OH￣的摩尔比为1 : 4)。
Investigation of defects in N-doped ZnO powders prepared by a facile solvothermal method and their UV photocatalytic properties Pengfei Gu a,Xudong Wang a,*,Tao Li b,Huimin Meng a a Institute of Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,30Xueyuan Road,Beijing100083,People’s Republic of China b Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory,Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering,104Youyi Road, Beijing100094,People’s Republic of China 1.Introduction ZnO is one of the most promising materials for fabricating optoelectronic devices,owing to its large exciton binding energy of 60meV and wide band gap energy of3.37eV at room temperature. Intrinsic ZnO is an n-type wide bandgap semiconductor with an ultraviolet(UV)absorption property.However,ZnO is still dif?culty in obtaining stable p-type conductivity.As we know, the acceptor dopants in ZnO include lithium[1],copper[2],zinc vacancies[3],and oxygen interstitials[3],but all of these are deep acceptors and do not contribute signi?cantly to hole conduction [4].Until nitrogen(N)is considered to be the most promising p- type dopant for ZnO due to its similar ionic radius to oxygen,large solubility,and low ionization energy[5].In addition,N-doped ZnO shows higher visible-light photocatalytic activity[6,7],therefore N-doped ZnO was focused. And in N-doped ZnO,it is found that nitrogen can form two distinct centers in ZnO material,the molecular nitrogen substitut- ing for oxygen(N2)O and the isolated nitrogen substituting for oxygen(N)O[8,9].The neutral molecular nitrogen charge state (N2)O is a deeper acceptor level[9]than the isolated neutral nitrogen charge state(N)O[8].In other words,the(N)O acceptors begin to?ll before the(N2)O acceptors.Another argument indicates that(N2)O is a shallow double donor electrically[10,11]by theoretical calculations,which leads to the compensation rather than p-type doping as(N)O.It is important for gaining(N)O acceptors in N-doped ZnO. So far,N-doped ZnO has been obtained by direct synthesis or post-synthesis treatments.Direct synthesis means that N-related dopants are incorporated into ZnO lattice during growth process, such as chemical vapor deposition(CVD)methods[11],magnetron sputtering technique[12],and molecular beam epitaxy(MBE)[13] in N2O,NH3or N2atmospheres,mechanochemical methods[14], sol–gel method[15],and hydrothermal[16]or solvothermal synthesis[17].Whereas,post-synthesis treatments mean that as- gained ZnO are treated by N source,such as,with NH3[18]at high temperature heat treatment,or N ions implantation[19].Among the many methods,either direct synthesis or post-synthesis treatments,with N2atmospheres is easy to form(N2)O dopants, due to the high energy of the N B B N bond($9eV)makes it dif?cult for its dissociation to achieve isolated nitrogen incorporation[20]. In addition,direct growth or post-synthesis treatments with NH3 or N2O in high temperature also can gain(N2)O dopants[21].One can expect that using NH3as N source and a low growth temperature would be favorable for(N)O acceptors into ZnO.Thus solution-based processes(such as hydrothermal or solvothermal) favor the fabrication of large scale ZnO crystals at relatively low temperature with low cost.However,N-doped ZnO by hydrother- mal or solvothermal synthesis have rarely been reported so far. Wang et al.[22]reported that hydrothermal growth of N-doped Materials Research Bulletin48(2013)4699–4703 A R T I C L E I N F O Article history: Received19March2013 Received in revised form28June2013 Accepted18August2013 Available online26August2013 Keywords: A.Inorganic compounds B.Crystal growth D.Defects D.Electronic paramagnetic resonance(EPR) D.Catalytic properties A B S T R A C T A facile synthetic procedure for N-doped ZnO powders was proposed.In this work,N-doped ZnO crystals were synthesized in diethylene glycol(DEG)with ammonia solution via solvothermal process. Incorporated N concentration increases with the amount of ammonia solution.In order to con?rm the defects of as-gained ZnO powders,the samples were characterized by XRD,PL,and EPR.In our results,the N-related defects were considered to be(N)O centers as acceptors,other than(N2)O.And,the donors defects were con?rmed to H i.UV photocatalytic activity of the N-doped ZnO crystals was assessed from the photodegradation kinetics of methyl orange(MO).The result shows that the UV photocatalytic activity of N-doped ZnO decreases with the incorporated N concentration.This was caused by abundant acceptors hindered the photoinduced holes generating. Crown Copyright?2013Published by Elsevier Ltd.All rights reserved. *Corresponding author.Tel.:+861062332548;fax:+861080115555741836. E-mail address:xdwang@https://www.doczj.com/doc/6017728974.html,(X.Wang). Contents lists available at ScienceDirect Materials Research Bulletin j o u rn a l h om e p a ge:w w w.e l s e v i e r.c o m/l o c a t e/m a t r e s b u 0025-5408/$–see front matter.Crown Copyright?2013Published by Elsevier Ltd.All rights reserved. https://www.doczj.com/doc/6017728974.html,/10.1016/j.materresbull.2013.08.034
1．纳米氧化锌的性质 1.1表面效应 表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化，随着粒径减小,表面原子数迅速增加，另外 ,随着粒径的减小,纳米粒子的表面积、表面能及表面结合都迅速增大这主要是由于粒径越小,处于表面的原子数越多表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质 ,易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很大的化学活性 ,晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多,其表面能大大增加伴随表面能的增加 ,其颗粒的表面原子数增多 ,表面原子数与颗粒的总原子数的比值被增大 ,于是便产生了“表面效应”,即“表面能”与“体积能”的区分就失去了意义 ,使其表面与内部的晶格振动产生了显著变化 ,导致纳米材料具有许多奇特的性能 1.2体积效应 当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化剂及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化 ,这就是纳米粒子的体积效应这种体积效应为实用开拓了广阔的新领域。 2.纳米氧化锌的制备技术 制备纳米氧化锌的方法主要是物理法和化学法。其中,化学法是常用的方法。 2.1物理法 物理法包括机械粉碎法和深度塑性变形法。机械粉碎法是采用特殊的机械粉碎、电火花爆炸等技术 ,将普通级别的氧化锌粉碎至超细。其中张伟等人利用立 式振动磨制备纳米粉体 ,得到了α-Al 2O 3 ，ZnO、MgSiO 3 等超微粉 ,最细粒度达 到 0. 1μm此法虽然工艺简单 ,但却具有能耗大,产品纯度低 ,粒度分布不均匀 ,研磨介质的尺寸和进料的细度影响粉碎效能等缺点。最大的不足是该法得不到1—100nm 的粉体 ,因此工业上并不常用此法;而深度塑性变形法是使原材料在净静压作用下发生严重塑性形变 ,使材料的尺寸细化到纳米量级。这种独特的方法最初是由 Islamgaliev 等人于 1994 年初发展起来的。该法制得的氧化锌粉体纯度高，粒度可控,但对生产设备的要求却很高。总的说来 ,物理法制备纳米氧化锌存在着耗能大 ,产品粒度不均匀,甚至达不到纳米级,产品纯度不高等缺点,工业上不常采用,发展前景也不大。 2.2化学法 化学法具有成本低 ,设备简单 ,易放大进行工业化生产等特点。主要分为溶胶-凝胶法、醇盐水解法、直接沉淀法、均匀沉淀法等。 2.2.1溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法制备纳米粉体的工作开始于 20 世纪60年代。近年来,用此法制备纳米微粒、纳米薄膜、纳米复合材料等的报道很多。它是以金属醇盐Zn(OR) 2为原料 ,在有机介质中对其进行水解、缩聚反应 ,使溶液经溶胶化得到凝胶 ,凝胶再经干燥、煅烧成粉体的方法。此法生产的产品粒度小、纯度高、反应温度低(可以比传统方法低 400 —500 ℃) ,过程易控制;颗粒分布均匀、团聚少、介电性能较好。但成本昂贵 ,排放物对环境有污染 ,有待改善。
0引言 单斜和四方相的转变是马氏体相变的体现[1]，对 ZrO 2陶瓷的韧性有很大的影响，这就是相变增韧.很 多氧化物如CaO,MgO,CuO,Al 2O 3都被研究人员加入ZrO 2中[2-3]，希望能够达到增韧的作用[4-9].对ZrO 2而言,在常温下稳定的四方相越多，陶瓷韧性越好[5].ZrO 2的相转变过程如下： m -ZrO 2ρ=5.8g ·cm -3 ΔV=-5%(1000~1200℃)ΔV =8%t-ZrO 2ρ=6.1g ·cm -3-2300℃ c-ZrO 2 ρ=6.27g ·cm -3 -2700℃ melt 目前关于BaO-ZrO 2（BSZ ）系统相变增韧的研究不够深入.Maschio 等人研究得出，当BaO 摩尔含量为4%~8%时，主要以单斜和立方相形式存在；当摩尔含量为10%~12%时，以立方相形式存在；摩尔含量达到16%以上时均为四方相[10].Oyama 等对 文章编号：1６７４-９６６９（２013）01-0008-06 共沉淀法制备BaO-ZrO 2（BSZ ）纳米粉体研究杨 斌，刘姗姗 （江西理工大学材料科学与工程学院，江西赣州341000） 摘 要：通过采用氯氧化锆(ZrOCl 2)、BaCl 2水溶液与NaOH 共沉淀反应，生成钡稳定氧化锆的前驱 体，该前驱体经过预烧结后得到BaO-ZrO 2粉体.研究了搅拌速率、pH 值、反应温度、预烧结温度对粉体结晶度的影响.通过分析BSZ 粉体的X 射线衍射（XRD ）和扫描电镜（SEM ）结果得出，搅拌速率为 280rad/min 、pH 值为10、反应温度为80℃、预烧结温度为800℃是合成BSZ 粉体的最佳工艺条件. 关键词：共沉淀；BSZ ；纳米粉体；相结构；结晶度中图分类号：TF123.2;TG146 文献标志码：Ａ Preparation process of BaO-ZrO 2（BSZ ）nano powder via co-precipitation method YANG Bin,LIU Shan-shan （School of Materials Science and Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China ） Abstract ：NaOH was added as precipitating agent to the solutions of zirconyl chloride hydrate and barium chloride.Zirconia-baryta materials were obtained by sintering BSZ precursors produced by co-precipitation method.X-ray diffraction and scanning electron microscopy were used to study the crystallization behavior and particle morphology of BSZ powder.The Experiment results show that the optimal technological conditions of synthesizing BSZ powders were,stirring rate is 280rad/min,pH is 10,reaction temperature at 80℃,and pre-sintering temperature at 800℃. Key words:co-precipitation;BSZ;nano powder;phase structure;crystallization 收稿日期：2012-１１-19 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（863计划）（2010AA03A408）作者简介：杨 斌（1965- ），男，博士，教授，主要从事铜合金材料研究与开发、有色金属材料加工新技术新工艺研究、稀土新材料制备的研究, E-mail ：yangbin65@https://www.doczj.com/doc/6017728974.html,. 有色金属科学与工程 第4卷第1期2013年2月 Vol.4，No.1Feb.2013 Nonferrous Metals Science and Engineering
第37卷第4期 人 工 晶 体 学 报 V o.l 37 N o .4 2008年8月 J OURNA L OF SYNTHET I C CRY STAL S A ugust ,2008 水热合成法制备纳米氧化锌粉 王艳香,孙 健,范学运,余 熙 (景德镇陶瓷学院,景德镇333001) 摘要:采用水热法合成了氧化锌纳米棒,研究了不同合成条件对Zn O 纳米晶的影响。采用碱式碳酸锌作为前驱体, 水为水热介质,可获得氧化锌纳米棒,水热时间的延长和水热温度的提高都使氧化锌纳米棒的长径比减小,其紫外 发射光和近红外发射强度增大。当在体系中加入聚乙二醇时,可获得片状氧化锌结晶。当以0.5m o l/L 的碳酸钠 水溶液为水热介质,可得到长径比超过20,直径为500n m 左右分散均匀的纳米氧化锌棒。以氢氧化锌为前驱体, 也能得到氧化锌纳米棒,其长径比为15左右。 关键词:水热合成;氧化锌;纳米棒 中图分类号:O 753 文献标识码:A 文章编号:1000-985X (2008)04-0866-06 H ydrotherm al Synthesis of N ano m eter Z i nc Oxi de WANG Yan-x iang,SUN J i a n,FAN X ue -yun,YU X i (Ji ngdez hen C era m i c I n stitute ,J i ngdez h en 333001,Ch i na) (R eceive d 8October 2007,acce p te d 14February 2008) Abst ract :Zinc ox ide nanorods w ere prepared by using hydro t h er m a l synthesis m ethod .The effect o f synthesis cond itions on t h e properties o f nano m eter ZnO w as studied .ZnO nanorods were obta i n ed w hen usi n g Zn 4CO 3(OH )6#H 2O and H 2O as precursor and hydrother m alm edia .Leng th -dia m eter ratio o fZnO nanor ods decreases and UV e m ission and near -i n frared e m issi o n i n tensities increase w ith the i n creasi n g o f hydrother m a l ti m e and te m perature .ZnO nanosheets w ere ach iev i n g w hen using Zn 4C O 3(OH )6#H 2O and PEG as precursor and hydrother m a l m edia .ZnO nanorods w ith leng t h -d ia m eter ratio o f 20and dia m eters of ~500nm w ere prepared by using 0.5m o l/L N a 2C O 3as hydrother m alm ed i a .ZnO nanorods w it h length -d ia m eter ratio 15can a lso be obta i n ed by usi n g Zn(OH )2as precurso r . K ey w ords :hydr o ther m al synthesis ;zinc ox i d e ;nanorods 收稿日期:2007-10-08;修订日期:2008-02-14 基金项目:江西省教育厅2006年度科技计划项目(N o .赣教技字[2006]206号) 作者简介:王艳香(1972-),女,河北省人,博士,副教授,硕士生导师。E-m ai:l yxw ang72@163.co m 1 引 言 氧化锌是一种用途十分广泛的功能材料,已被用于气敏、压敏、催化、抗菌等重要领域。ZnO 纳米材料,具有普通ZnO 材料所无法比拟的特性和用途,在陶瓷、电子、光学、化工、生物、医药等许多领域展现出特殊的用途。ZnO 纳米薄膜和一维ZnO 纳米结构在紫外探测器、发光二极管、激光二极管等领域显示出极大的发展潜力,已成为材料领域的研究前沿[1-4] 。尤其是近年来有关一维ZnO 纳米结构的形貌与紫外激光的研究,更是受到了人们的极大关注。一维氧化锌结构(纳米棒、纳米线、纳米带、纳米管等)的湿化学合成主要
实验七 沉淀法制备纳米氧化锌粉体 一、实验目的 1、了解沉淀法制备纳米粉体的实验原理。 2、掌握沉淀法制备纳米氧化锌的制备过程和化学反应原理。 3、了解反应条件对实验产物形貌的影响，并对实验产物会表征分析。 二、实验原理 氧化锌是一种重要的宽带隙(3.37 eV)半导体氧化物，常温下激发键能为60 meV 。近年来，低维（0维、1维、2维）纳米材料由于具有新颖的性质已经引起了人们广泛的兴趣。氧化锌纳米材料已经应用在纳米发电机、紫外激光器、传感器和燃料电池等方面。通常的制备方法有蒸发法、液相法。我们在这里主要讨论沉淀法。 沉淀法是指包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂(如OH --，CO 32-等)后，或在一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，得到所需的化合物粉料。 均匀沉淀法是利用化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来。而加入的沉淀剂不是立即在溶液中发生沉淀反应，而是通过沉淀剂在加热的情况下缓慢水解，在溶液中均匀地反应。 纳米颗粒在液相中的形成和析出分为两个过程，一个是核的形成过程，称为成核过程；另一个是核的长大，称为生长过程。这两个过程的控制对于产物的晶相、尺寸和形貌是非常重要的。 制备氧化锌常用的原料是可溶性的锌盐,如硝酸锌Zn(NO 3)2、氯化锌ZnCl 2、醋酸锌。常用的沉淀剂有氢氧化钠（NaOH ）、氨水（NH 3. H 2O ）、尿素（CO(NH 2)2）。一般情况下，锌盐在碱性条件下只能生产Zn(OH)2沉淀，不能得到氧化锌晶体，要得到氧化锌晶体通常需要进行煅烧高温。均匀沉淀法通常使用尿素作为沉淀剂，通过尿素分解反应在反应过程中产生NH 3 H 2O 与锌离子反应产生沉淀。反应如下： O H NH CO O H NH CO 23222223)(?+→+ (1) OH -的生成： -+ +→?OH NH O H NH 423 (2) CO 32-的生成： O H CO NH CO O H NH 223422322++→+?-+ (3)
氧化锌制备工艺2008-06-04 12:21阅读(4)评论 (0) D0208、氧化锌制备工艺(本技术资料含国家发 明专利、实用新型专利、科研成果、技术文献、技术说明书、技术配方、技术关键、工艺流程等，全套价格260元) （氧化锌*制备 氧化锌*制取氧化锌*生产氧化锌*开发氧化锌*研究） （氧化锌制备氧化锌制取氧化锌生产 氧化锌开发氧化锌 研究） 1、氨法制取氧化锌方法 2、氨浸法生产低堆积密度纳米氧化锌的方法 3、氨水·碳铵联合浸取络合制备高纯度活性氧化锌的方法 4、氨水循环络合法生产高纯度活性氧化锌的工艺 5、表面包覆金属钛或铝化合物的纳米氧化锌粉体及制备方法 6、表面改性的纳米氧化锌水分散体及其制备方法和用途
7、超声波-微波联合法从锌浮渣中制备活性氧化锌的方法 8、超微粒子氧化锌及其制造方法和使用其的化妆材料 9、超微氧化锌制取的工艺与装置 10、超细活性氧化锌的制备方法 11、超细氧化锌复合物及其制备方法 12、成核生长分步进行的液相制取超细氧化锌的方法 13、从低品位含锌物料制备纳米活性氧化锌的方法 14、从含锌烟道灰制取氧化锌的工艺 15、从菱锌矿制氧化锌技术 16、从铜--锌废催化剂中回收铜和氧化锌的方法 17、等离子法制取氧化锌工艺及设备 18、低温热分解法制备纳米氧化锌 19、低温易烧结的纳米级氧化锌粉末的制备方法 20、多功能纳米氧化锌悬浮液及其制备方法21、改进的碳酸氢铵全湿法制取高活性氧化锌
22、改性的超细氧化锌及其制备方法 23、高白色氧化锌微粒及其制造方法 24、高级氧化锌制备工艺 25、固相低温热分解合成晶态和非晶态超微氧化锌粉末的制备 26、过氧化锌的制备方法 27、回转窑冶炼生产氧化锌的工艺方法 28、活性氧化锌的生产工艺方法 29、活性氧化锌及高纯氧化锌制备工艺 30、活性氧化锌生产工艺 31、碱法生产活性氧化锌的工艺方法 32、颗粒氧化锌的生产工艺方法 33、颗粒状氧化锌生产装置 34、粒状高活性氧化锌的制造方法及其产品35、联合法矿粉直接生产高纯度氧化锌新工艺36、菱锌矿制取高纯氧化锌的方法 37、硫化锌精矿焙砂与氧化锌矿联合浸出工艺38、硫化锌矿与软锰矿同槽浸出制取氧化锌和碳酸锰的方法
设计性实验2 沉淀法制备纳米ZnO 摘要:本实验以Zn(NO 3) 2 ·6H 2 O和NH 4 HCO 3 为原料，聚乙二醇（PEG600）为模板，采用 直接沉淀法制备纳米氧化锌，并计算产率和晶粒尺寸，讨论影响纳米ZnO晶粒大小的影响因素。 关键词:纳米氧化锌；直接沉淀法；产率；晶粒尺寸 1.直接沉淀发制备纳米ZnO的理论基础 氧化锌俗称锌白，常作白色颜料，是一种重要的工业原料，它广泛应用于涂料、橡胶、陶瓷、玻璃等多种工业。纳米氧化锌与普通氧化锌相比显示出诸多特殊性能，如:压电性、荧光性、非迁移性、吸收和散射紫外线能力等，因而其用途大大扩展，如可用于压敏材料、压电材料、荧光体、化妆品、气体传感器、吸湿离子传导温度计、图象记录材料、磁性材料、紫外线屏蔽材料、高效催化剂和光催化剂。国内外专家学者一致认为，纳米氧化锌必将逐步取代传统的氧化锌系列。 纳米材料是指晶粒（或组成相）在任一维的尺寸小于100nm的材料，是由粒径尺寸介于1 ~ 100nm之间的超细微粒组成的固体材料，按空间形态可分为一维纳米丝、二维纳米膜和三维纳米粒。 纳米材料的制备方法分类如下表：
本实验采用化学沉淀法里的直接沉淀法制备纳米ZnO ，直接沉淀法的原理是在可溶性锌盐溶液中加入沉淀剂后，于一定条件下生成沉淀从溶液中析出，将阴离子洗去，经分离、干燥、热处理后，得到纳米氧化锌。该方法操作简单，对设备和技术要求不太苛刻，产品纯度高，不易引入杂质，成本低。 X-射线衍射仪可以利用衍射原理,精确测定物质的晶体结构,织构及应力,精确的进行物相分析,定性分析,定量分析.利用谢乐公式：Dc = 0.89λ /(B cos θ) (λ为X 射线波长, B 为衍射峰半高宽, θ 为衍射角) ，根据粉体X-射线衍射图可以得到相关数据，计算得到粒子的尺寸。 2.实验 2.1实验药品及仪器 Zn(NO 3)2·6H 2O 、 NH 4HCO 3、聚乙二醇（PEG600）、无水乙醇、去离子水 烘箱、500ml 烧杯、250ml 烧杯两个、玻璃棒、PH 计、马弗炉、X 射线衍射仪，胶头滴管。 2.2制备原理及实验步骤 配制0.8mol/l 的聚乙二醇（PEG600）溶液，称取23.8g 的 Zn(NO 3)2·6H 2O 溶于100ml 去离子水，并加入1g 上述配制的聚乙二醇（PEG600）溶液。称取31.6g NH 4HCO 3定容至200ml 配制成2.0mol/l 的溶液。然后将NH 4HCO 3溶液缓慢滴加到锌盐溶液中。调节反应体系的终点PH 值为7.5.将所得的沉淀物减压抽滤，用1mol/L 的NH 4HCO 3溶液无水乙醇分别洗涤3次，60-80℃烘干后放于马弗炉400℃煅烧2h ，即得纳米ZnO 粉体。 主要反应历程如下： Zn 2++2CO 3→ZnCO 3（↓）+CO 2↑+H 2O ZnCO 3→ZnO+CO 2（↑）
将mol·L-1的NaOH乙醇溶液缓慢滴加到含有mol·L-1的Zn(NO3)2·6H2O乙醇溶液中. 将混合溶液转移至高压反应釜中, 在130℃下反应12 h, 将反应产物经二次去离子水、乙醇等洗涤后, 在130 摄氏度下干燥,即可获得纯ZnO纳米棒. 在 ZnCl2 溶液 mol/L) 中加入一定量的 SDS, 搅拌下于 65 ℃将 Na2CO3 溶 液滴加到该溶液中 (120 滴/min, n(Na 2CO 3 )/n(ZnCl2) = 2),恒温反应 h. 将反 应液倒入聚四氟乙烯罐中, 在150~160 ℃进行水热反应 12 h, 自然冷却后离心分离, 用去离子水洗涤到无水Cl?离子, 再用无水乙醇洗涤 2~3 次, 50 ℃真空干燥 2 h, 300 ℃焙烧 3 h, 即制得 ZnO 纳米管. 将0. 1 L0. 1 mo l/ L二水合醋酸锌的乙醇溶液置于带冷凝管和干燥管的0. 5 L 圆底烧瓶中, 在80 ℃搅拌3 h, 不断收集冷凝物, 最后可获得0. 04 L 中间物和0. 06 L 冷凝物. 将中间物迅速用冷的绝对乙醇稀释至0. 1 L, 冷至室温, 得0. 1 mol/ L 中间产物. 氨水沉淀法制备纳米氧化锌 在水——乙醇介质中用氨水沉淀法制备出了纳米Zn（OH） 2 和ZnO材料，讨论了介质组成对沉淀产物ZnO微粒的粒径范围及形貌的影响，并研究出由Zn(OH)2分解为纳米ZnO的最佳干燥脱水条件为200℃、2h。表明本方法不需高温处理就可得到颗粒均匀且分布窄的ZnO纳米材料，粒径可达17～6nm。 一、试剂与仪器 主要原料为氯化锌、无水乙醇、氨水等，均为分析纯试剂。 仪器为微型滴定管、磁力搅拌器、恒温干燥烘箱。 二、试验方法 以水——乙醇为溶剂，其中醇的体积含量分别为0%（去离子水）、20%、60%、100%。将氯化锌、氨水配制成不同浓度的溶液（不同浓度是多少）。取一定体积（一定体积是多少）的氯化锌乙醇溶液于烧杯中，加以适当速度搅拌，不同浓度的氨水从微型滴管中缓慢滴入氯化锌乙醇溶液中，使之进行反应。控制氨水用量，调节pH值为左右，确定滴定终点。反应得到的白色沉淀物，经抽滤洗涤后自然风干 即为Zn（OH） 2纳米粉，Zn（OH） 2 经干燥（200℃、2h）脱水后，为ZnO纳米粉
ZrO2粉体合成与表征 一前言 ZrO2属于新型陶瓷，由于它具有十分优异的物理、化学性能，不仅在科研领域已经成为研究热点，而且在工业生产中也得到了广泛的应用，是耐火材料、高温结构材料和电子材料的重要原料。在各种金属氧化物陶瓷材料中，ZrO2的高温热稳定性能，热性能最好，最适宜傲陶瓷涂层和高温耐火制品，以ZrO2为主要原料的锆英石基陶瓷颜料，高级釉料的重要成分；ZrO2的热导率在常见的陶瓷材料中最低，而热膨胀系数又与金属材料较为接近，成为重要的结构陶瓷材料；特殊的晶体结构，使之成为重要的电子材料；ZrO2的相变增韧等特性，成为塑性陶瓷材料的宠儿；良好的机械性能和热物理性能，使它能够成为金属基复合材料中性能优异的增强相。目前在各种金属氧化物陶瓷中ZrO2的重要作用仅次于Al2O3由于氧化锆材料具有高硬度，高强度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化性能，氧化锆已经在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、航空航天、生物、化学等等各种领域获得广泛的应用。 二结构性质 氧化锆是白色固体，含有杂质时会显现灰色或淡黄色，添加显色剂还可显示各种其它颜色。纯氧化锆的分子量为123.22，理论密度是5.89g/cm3，熔点为2715℃。通常含有少量的氧化铪，难以分离，但是对氧化锆的性能没有明显的影响。氧化锆有三种晶体形态：单斜、四方、立方晶相。常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，加热到更高温度会转化为立方相。由于在单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积变化，冷却的时候又会向相反的方向发生较大的体积变化，容易造成产品的开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。但是添加稳定剂以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围。氧化锆（化学式：ZrO2）是锆的主要氧化物，通常状况下为白色无臭无味晶体，难溶于水、盐酸和稀硫酸。一般常含有少量的二氧化铪。化学性质不活泼，但高熔点、高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，使它成为重要的耐高温材料、陶瓷绝缘材料和陶瓷遮光剂。能带间隙大约为5-7eV。 二氧化锆的晶体结构 自然界中以少见的斜锆石存在，为单斜晶系结构。高熔点的立方氧化锆也是二氧化锆晶型之一，自然界以等轴钙锆钛矿
液相沉淀法合成纳米粉体的应用进展 材料科学与工程赵小龙2011201307 摘要：液相沉淀法是一种合成纳米粉体最为普遍的方法。本文将介绍液相沉淀法的三种方法：直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。对液相沉淀法合成纳米粉体的沉淀反应过程、洗涤过程、干燥过程以及煅烧过程等环节的控制方法及原理作了详述。由于纳米TiO2粉体具有是优良的光催化活性，且具有极大的商业价值，本文还将介绍一下纳米TiO2粉体制备工艺。 关键词：液相沉淀；控制；洗涤；干燥；煅烧；制备工艺 纳米粉体是指线度处于1 nm~100 nm的粒子聚合体，包括金属、金属氧化物、非金属氧化物和其他各种各类的化合物。与普通粉体相比，纳米粉体的特异结构使其具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应[1]，因而在催化、磁性材料、医学、生物工程、精细陶瓷和化妆品等众多领域显示出广泛的应用前景，成为各国竞相开发的热点。纳米粉体的制备方法很多，可归纳为固相法、气相法和液相法三大类。其中液相化学法是目前实验室和工业上采用最为广泛的合成纳米粉体的方法，包括沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法和水热合成法等[2]。本文主要讨论了液相沉淀法合成纳米粉体的分类、方法、控制过程及原理。 1 液相沉淀法介绍 液相沉淀法是液相化学反应合成金属氧化物纳米材料最普通的方法。它是利用各种溶解在水中的物质反应生成不溶性氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐和乙酸盐等，再将沉淀物加热分解，得到最终所需的纳米粉体。液相沉淀法可以广泛用来合成单一或复合氧化物的纳米粉体，其优点是反应过程简单，成本低，便于推广和工业化生产。液相沉淀法主要包括直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。 1.1 直接沉淀法 直接沉淀法是使溶液中的金属阳离子直接与沉淀剂，如OH-、C 2O 2 -4、CO 2 -3， 在一定条件下发生反应而形成沉淀物，并将原有的阴离子洗去，经热分解得到纳 米粉体。直接沉淀法操作简便易行，对设备、技术要求不太苛刻，不易引入其他杂质，有良好的化学计量性，成本较低，因而对其研究也较多，只不过其合成的纳米粉体粒径分布较宽。廖莉玲等[3]以硝酸镁、碳酸钠为原料，用直接沉淀法合成得到纳米氧化镁，其平均粒径为30 nm。文献[4]报道了用一定溶度的ZrOCl 2 和氨水溶液在聚乙二醇水溶液中混合反应，经抽滤、洗涤、干燥、煅烧后得到纳米 ZrO 2 。其中聚乙二醇起到保护胶粒的作用。 1.2 共沉淀法 共沉淀法是在混合的金属盐溶液(含有两种或两种以上的金属离子)中加入合适的沉淀剂，反应生成均匀沉淀，沉淀热分解后得到高纯纳米粉体材料。它是制备含有两种以上金属元素的复合氧化纳米粉体的主要方法。其在制备过程中完成了反应及掺杂过程，因而得到的纳米粉体化学成分均一、粒度小而且均匀。共沉淀法已被广泛用于制备钙钛矿型材料、尖晶石型敏感材料、铁氧体及荧光材料。 文献[5]报道了用Al(NO 3) 3 和ZrO(NO 3 ) 2 混合溶液，加氨水共沉淀制备了一系列Al 2 O 3 含量由低到高的ZrO 2-Al 2 O 3 纳米复合氧化物。焦正等[6]采用喷射共沉淀法制备了 尖晶石型ZnGa 2O 4 纳米晶，晶粒细小均匀，形状完整，粒径小于10nm，无ZnO杂 相峰。
沉淀法制备纳米氧化锌粉体 一、实验目的 1.了解沉淀法制备纳米粉体的实验原理。 2.掌握沉淀法制备纳米氧化锌的制备过程和化学反应原理。 3.了解实验产物粒度的表征手段，掌握激光纳米粒度仪的使用。 4.了解沉淀剂、实验条件对产物粒径分布的影响。 二、实验原理 氧化锌是一种重要的宽带隙（3.37eV）半导体氧化物，常温下激发键能为60meV。近年来，低维（0维、1维、2维）纳米材料由于具有新颖的性质已经引起了人们广泛的兴趣。纳米氧化锌由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点，已经广泛的应用在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等许多领域。纳米氧化锌的制备方法有物理法和化学法，物理法主要包括机械粉碎法和深度塑形变形法，化学法包括沉淀法、溶胶—凝胶法、水热法、微乳液法等方法。本实验采用沉淀法制备纳米氧化锌粉体。 沉淀法包括直接沉淀法和均匀沉淀法。直接沉淀法是制备纳米氧化锌广泛采用的一种方法。其原理是在包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中，加入沉淀剂（如OH-，CO32-等）后，在一定条件下生成沉淀并使其沉淀从溶液中析出，再将阴离子除去，沉淀经热分解最终制得纳米氧化锌。其中选用不同的沉淀剂，可得到不同的沉淀产物。均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子从溶液中缓慢地、均匀地释放出来，所加入的沉淀剂并不直接与被沉淀组分发生反应，而是通过沉淀剂在加热的情况下缓慢水解，在溶液中均匀地反应。 纳米颗粒在液相中的形成和析出分为两个过程，一个是核的形成过程，称为成核过程；另一个是核的长大，称为生长过程。这两个过程的控制对于产物的晶相、尺寸和形貌是非常重要的。 制备氧化锌常用的原料是可溶性的锌盐，如硝酸锌Zn(NO3)2、氯化锌ZnCl2、醋酸锌ZnAc2。常用的沉淀剂有氢氧化钠（NaOH）、氨水（NH3·H2O）、尿素（CO(NH2)2）等。一般情况下，锌盐在碱性条件下只能生成Zn(OH)2沉淀，不能得到氧化锌晶体，要得到氧化锌晶体需要进行高温煅烧。均匀沉淀法通常使用尿素作为沉淀剂，通过尿素分解反应在反应过程中产生NH3·H2O与锌离子反应生成沉淀。反应如下： OH-的生成： CO32-的生成： 形成前驱物碱式碳酸锌的反应： 热处理后得产物ZnO： 用NaOH作沉淀剂一步法直接制备纳米氧化锌的反应式如下： 该实验方法过程简单，不需要后煅烧处理就可以得到氧化锌晶体，而且可以通过调控Zn2+/OH-的摩尔比控制氧化锌纳米材料的形貌。 三、实验仪器与试剂
收稿日期:2001-05-17 基金项目:广东省自然科学基金(000028);广东省教育厅自然科学研究项目资助(2000024) 作者简介:温立哲(1975-),男,2000级硕士研究生,主要研究方向为纳米氧化锆的制备. 纳米氧化锆的制备及其干燥技术 温立哲1,余忠民2,黄慧民1,周立清1,邓淑华 1 (1 广东工业大学轻工化工学院,广东广州510090 2 广东省质量监督局,广东广州510240) 摘要:纳米氧化锆是一种新型的高科技材料,由于其具有很多特殊的性质,因而有着广泛而重要的用 途 本文根据国内外研究制备纳米氧化锆的最新进展和其发展趋势,综述了纳米氧化锆的各种制备 的方法和干燥技术,并提出目前制备中存在的问题 关键词:纳米材料;氧化锆;干燥 中图分类号:TQ134.12 文献标识码:A 文章编号:1007-7162(2002)01-0063-07引 言 纳米级材料是指晶粒尺寸在0 1nm 到100nm 之间处于原子簇和宏观物体交接区域的超细微粒,由于纳米结构单元的尺度与物质中许多特性长度,如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿热垒厚度、铁磁性临界尺寸等相当,从而导致了纳米材料具有了不同于微观的原子、分子,也不同于宏观物体的物理化学特性 二氧化锆是一种具有高熔点(2700 )和高沸点、导热系数小、热膨脉系数大、耐高温、耐磨性好、抗蚀性能优良的金属氧化物材料 纳米级二氧化锆粉体材料因具有某些独特性能,如常温下为绝缘体,高温下则具有导电性、敏感特性、增韧性等 目前已用于制造结构陶瓷(如反应堆包套、航空发动机的排杠、汽缸内衬等)、功能陶瓷(如气体、温度、湿度、声传感器等)、压电陶瓷、电子陶瓷(如电容器、震荡器、蜂鸣器、调节器、电热组件等)、生物陶瓷、高温燃料电池、高温光学组件、磁流体发电机电极等高科技产品 有研究表明:100nm 的ZrO 2在拉伸疲劳试验中晶粒出现了300%的超塑性,由于晶粒粒径的减小,材料性能有了数量级的提高,烧结温度大大下降 作为添加剂它能使脆性材料增韧,韧性材料强度更强,使陶瓷材料的脆性问题可望得到解决 由于ZrO 2的化学稳定性好,表面同时具有酸性和碱性,同时拥有氧化性和还原性,又是 型半导体,易产生氧空穴,用作催化剂载体可与活性组份产生较强的相互作用 另外由于超细粒子具有高的比表面积和丰富的表面缺陷,所以超细Zr O 2在催化领域的应用前景广阔 因此研究纳米氧化锆的制备应用技术意义重大,已成为目前科技工作者关注和研究的热点[1],这也是我国九五规划重点发项目之一,以下就其制备和干燥技术进行介绍 1 纳米ZrO 2制备方法 纳米微粒的制备方法一般可分为物理方法和化学方法,化学法又可分为气相化学法和液相第19卷第1期 2002年3月广东工业大学学报Journal o f Guangdong University of Technology Vol 19No 1 March 2002