材料科学与工程基础实验讲义

材料科学与工程基础实验讲义

华南农业大学材料与能源学院

现代材料科学与工程基础实验讲义

供材料科学专业本科生使用

胡航

2016-02-30

实验一 金属纳米颗粒的化学法制备

一、实验内容与目的

1. 了解并掌握金属纳米颗粒的化学法制备过程并制备Au 或Ag 纳米颗粒。

2. 了解金属纳米颗粒的光学特征。

二、实验原理概述

化学制备法是制备金属纳米微粒的一种重要方法，在基础研究和实际应用中被广泛采用。贵金属纳米颗粒的化学法制备主要有溶胶凝胶法、电镀法、氧化还原法等。其中氧化还原法又包括热分解和辐照分解等。贵金属纳米颗粒具有广泛的应用，如生物医学领域的杀菌，物理化学领域的催化等。本实验以金胶为例介绍交替法制备贵金属纳米颗粒，并以硝酸银在烷基胺中的热分解为例介绍表面活性剂中氧化还原法制备贵金属纳米颗粒。

1. 胶体金属（Au 、Ag ）的成核与生长

总的来说，化学法制备金属纳米粒子都是让还原剂提供电子给溶液中带正电荷的金属离子形成金属原子。如，对于制备胶体金，如果采用柠檬酸三钠作为还原剂，其反应过程如下：

2H O -42223222222Δ

HAuCl + HOC(CH )(CO )Au +Cl +CO +HCO H+CO(CH )(CO )+......−−→粒子 2. 硝酸银热分解法制备银纳米粒子

热分解法制备金属纳米颗粒原理简单，实验过程易操作。对制备数纳米到数十纳米尺寸范围的纳米颗粒有较大优势。硝酸银在烷基胺中加热搅拌可形成澄清透明溶液。温度上升到150~200 °C 时，溶液颜色由浅色到深色快速变化，生成的银纳米颗粒被烷基胺包裹，稳定在溶液中。通过对样品洗涤、离心沉淀，可获得烷基胺包裹的银纳米粒子。

三、实验方法与步骤

（一）实验仪器与材料

硝酸银，柠檬酸三钠，油胺或十八胺，十八烯（ODE ），无水乙醇，配有温度调控和磁力搅拌的油浴加热器，三颈瓶，抽气头，滤膜，温度计套管，10 mL 量筒，分析天平，玻璃滴管，离心管，离心机，电热干燥箱

（二）实验方法与操作步骤

1. 贵金属胶体的制备

（1）对所有所需用的容器用硫酸清洗，用去离子水冲洗3遍，放入干燥箱烘干。

（2）配置0.01%的氯金酸（硝酸银）溶液和1%的柠檬酸三钠溶液。

（3）把50 mL的氯金酸（硝酸银）溶液加热至沸腾后加入1 mL的柠檬酸三钠溶液，再加热5~10 min。

（4）停止加热后把制得的胶体金用过滤薄膜过滤。

（5）重复（3）、（4）步骤制备氯金酸（硝酸银）溶液和柠檬酸三钠溶液体积比为（50:2）~（50:10）的胶体金属。

（6）将制得的胶体金用紫外-可见分光光度计测其吸收光谱。

（7）清洗使用过的仪器，药品放回原处。

2. 硝酸银热分解制备Ag纳米颗粒

（1）对所有所需用的容器用硫酸清洗，用去离子水冲洗3遍，然后用无水乙醇冲洗，放入干燥箱烘干。

（2）称取0.5 g硝酸银，放入三颈瓶。

（3）分表量取ODE5 mL，油胺5mL（或者称取4g十八胺）加入三颈瓶。

（4）三颈瓶连接抽气头通入Ar放入油浴。

（5）在磁力搅拌下，油浴升温到180 °C并保持10 min。

（6）用玻璃滴管取0.5 mL样品放入离心管，加入5mL无水乙醇并振荡使混合均匀以清洗烷基胺。

（7）离心沉淀并重复加入5 mL无水乙醇反复清洗3遍。

（8）把所获得的Ag纳米颗粒分散于甲苯中并测量吸收光谱。

（9）对所用的容器进行清洗，再用去离子水冲洗3遍，放入干燥箱烘干后放回原处。

四、思考与讨论

1. 在制备Ag纳米颗粒的过程中，所用容器为什么用去离子水清洗？

2. 制备过程中，Ag纳米颗粒的生长受什么因素影响？如何获得不同尺寸的Ag纳米颗粒？

3. 在分解硝酸银制备纳米颗粒的实验中为什么要用烷基胺？

实验二水热法合成TiO2纳米材料

一、实验内容与目的

1. 了解水热法制备无机氧化物纳米材料的原理和特点。

2. 掌握水热法制备TiO2纳米材料的方法和步骤。

3. 熟悉纳米材料的表征方法如X射线粉末衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等。

二、实验原理概述

纳米材料具有不同寻常的物理和化学性能，是目前材料科学研究领域的热点。由于纳米材料强烈的尺寸和形貌依赖性，因此控制纳米材料尺寸和形貌称为当前纳米材料研究的重要方向。现阶段用于纳米粒子合成的方法主要有物理方法和化学方法，其中化学方法合成得到的纳米粒子纯度更高，粒度分布更均匀，而且形貌可控，从而应用更广。在众多方法中，水热法作为无机合成化学中的一个重要分支，成为纳米粒子的尺寸形貌控制合成的常用方法。

水热法最初是模拟然界中某些矿石的形成过程而发展起来的，通常是指在密闭的反应体系中，以水作为反应介质，将反应器加热到一定的温度（100~1000 °C），是反应器中具有一定填充度的水溶剂膨胀充满整个容器而产生很高压力的条件下，进行无机合成和材料制备的一种有效方法。在水热条件下，水主要起到两个作用：液态或气态的水是传递压力的媒介；同时水作为溶剂，由于在高压下绝大多数反应物都能溶于水，可促使反应在气相或液相中进行。

水热法合成氧化物纳米材料中，一般都是以金属盐、氧化物或氢氧化物作为反应物，以水作为溶剂，在加热过程中，这些金属盐、氧化物或氢氧化物的溶解度随文帝、压力的升高二增加，形成所需的氧化物的过饱和溶液，并逐渐成核生长，最终获得所需的氧化物纳米材料。整个反应过程的驱动力就是可溶的前驱体或中间产物与最后稳定的氧化物之间的溶解度差。因此可以说，水热法的实质是使纳米粒子在高温高压下从过饱和溶液中生长出来。这种发发在分子设计上具有其特有的有事，可以通过对前驱体材料结构中的次级结构单元拆开、修饰并重新组装；也可以通过选择反应条件加入适当的“模板剂”或“矿化剂”控制产物的结构。