实验2-2 水热法制备炭包碲化银纳米线解析

实验2-2 水热法制备炭包碲化银纳米线一、目的要求（1）熟悉水热法制备炭包碲化银纳米线，理解其形成机理，并对不同实验条件下的产物组成进行结果讨论与分析。

（2）熟悉并理解水热法的基本原理、特性，熟练使用反应釜，关注反应釜使用的注意事项。

二、实验原理葡萄糖在水热条件下会发生许多化学反应，实验结果表明：炭微球的增长似乎符合LaMer模型（见图1），当0.5 molL-1的葡萄糖溶液在低于140 C或反应时间小于1h时不会聚合现象，在此条件下反应后溶液呈橙色或红色并且粘度增强，表明有芳香族化合物和低聚糖形成，这是反应的聚合步骤。

当反应条件为0.5molL-1、160℃、3h时开始出现成核现象，这个碳化步骤可能是由于低聚糖之间分子间脱水而引起的交联反应，或者在先前步骤中有其它大分子的形成，然后形成的核在溶液中各向同性生长所致。

从现有的研究结果表明，制备过程中的反应条件如葡萄糖的起始浓度、反应温度和反应时间直接影响最终形成炭球的粒径分布。

图1葡萄糖分子中的醛基，有还原性，能与银氨溶液反应：CH2OH(CHOH)4CHO+2Ag(NH3)2OH→CH2OH(CHOH)4COONH4+2Ag↓+3NH3+ H2O 目前已经有文献报道通过在葡萄糖溶液中加入―硝酸银‖或―亚碲酸盐‖后通过水热法成功的制备出炭包银和炭包碲纳米线[1] :Ag@C nanowire Te@C nanowier基于对以上文献报道数据及其原理的分析，本实验通过在葡萄糖溶液中同时加入硝酸银和亚碲酸钠后对其进行水热合成。

通过调整反应物浓度、反应时间、反应酸碱度等反应条件预期合成出均匀的炭包碲化银纳米线。

三、实验预备药品、仪器。

葡萄糖（天津大茂化学试剂厂），亚碲酸钠（>97%，阿拉丁试剂），硝酸银（AR，阿拉丁试剂），去离子水，95%乙醇；50mL高压反应釜，50ml小烧杯，玻璃棒，鼓风干燥箱，电子天平，砂芯漏斗，超声波清洗仪。

四、实验过程1．材料制备用电子天平分别称取0.085g硝酸银、0.0554g亚碲酸钠放入50mL烧杯中，用移液管准确移取32mL去离子水加入到上述烧杯中，并于超声波清洗仪超声分散10min，然后加入3.0g葡萄糖于混合溶液中，再次置于超声清洗仪超声分散10min，最后加入3ml的1M NaOH 溶液，用手拧紧反应釜，放入烘箱中。

设定反应条件为：温度180︒C，反应时间24 h。

待反应结束后，降至室温，取出反应釜，将釜内黑褐色溶液抽滤（用22um有机滤膜），并及时清洗反应釜内衬，抽滤时用去离子水和95%乙醇清洗至滤液为无色。

将样品用滤纸包好放入干燥箱中70℃干燥4h。

收集样品，称重并计算产率。

2．材料表征（1）X-射线衍射分析：测定所制备的样品中所含有的物种。

（2）红外光谱分析：测定碳球的活性官能团，表征不同制备条件下得到的碳球活性官能团变化；（3）扫描电子显微镜或者透射电子显微镜分析所制备的炭包碲化银纳米线微观表面形态。

五、数据处理和结果分析（1）干燥后的样品呈黑色，计算产率（按产物全转化为Ag2Te，葡萄糖全转化为碳球）为：0.8431gω%=⨯100%=27.3% -42.5⨯10⨯343.6+3.0由此方法计算时，是基于Na2TeO3和AgNO3完全反应生成Ag2TeO3，然后在葡萄糖的醛基还原作用下分解生成Ag2Te，最后在其表面包覆上碳层。

然而，经过实际的分析，Na2TeO3和AgNO3不可能完全反应生成Ag2TeO3，可能还有未参与反应的Na2TeO3和AgNO3，它们在葡萄糖的醛基还原作用下分解生成Ag和Te，并在其表面上包覆上碳层。

正因为如此，要借用X射线衍射仪、红外谱图和扫描电子显微镜或者透射电子显微镜分析所制备的材料的成分、所含有的物种和微观表面形态等。

（2）样品的红外谱图分析图2 样品的XRD谱图从图2的XRD谱图上看，由上述配比下（0.085g硝酸银、0.0554g亚碲酸钠，即AgNO3：Na2TeO3=2:1）和相应的反应环境（如：pH等条件）下，所制得的产品中晶相Ag和Te比较多，这说明在Na2TeO3和AgNO3反应生成Ag2TeO3的过程前，绝大多数的Na2TeO3和AgNO3已经在葡萄糖的醛基还原作用下分解生成Ag和Te，只有少部分的Na2TeO3和AgNO3反应生成Ag2TeO3，并在葡萄糖的醛基还原作用下分解生成Ag2Te。

这是通过比较XRD图上不同峰的位置和峰的强度来分析样品中存在的物种和晶相，但单一测试方法可能带来一定的误差，故要结合其他的现代测试方法，如：红外谱图、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等。

（3）样品的XRD谱图分析在1000~1300cm左右是C-O的弯曲振动吸收峰，在1340cm左右是C-H的面内弯曲吸收峰，-1-1在1710~1725cm-1左右是C=O的伸缩振动吸收峰，在2025cm-1吸收峰是实验室KBr有问题（师姐早跟我们说的），在2780~2850cm-1左右是C-H的伸缩振动吸收峰，在3300~3500cm-1左右是O-H的伸缩振动吸收峰，这体现出由葡萄糖水热法制备纳米炭球表面含有大量活性官能团，如：C=O、O-H等，具有优良的亲水性和表面反应活性。

此外，由上述官能团的存在表明碳球保留了葡萄糖分子中的大量官能团，葡萄糖在水解过程中可能产生一定程度的芳香化，因为在水热的过程中糖分子之间发生了分子间脱水交联反应，再脱水、碳化形成碳碳单键和双键，使得产物部分碳化，达到制备碳微球目的。

六、结果与讨论（1）查阅文献资料，阐述水热法制备碳包覆材料的制备原理，思考还有哪些可操作性强的简易方法用于制备碳球。

答：水热法制备碳包覆材料的制备原理：葡萄糖在水热条件下会发生许多化学反应，实验结果表明：炭微球的增长似乎符合LaMer模型（见图1），当反应条件为0.5molL-1、160℃、3h时开始出现成核现象，这个碳化步骤可能是由于低聚糖之间分子间脱水而引起的交联反应，或者在先前步骤中有其它大分子的形成，然后形成的核在溶液中各向同性生长所致。

可以考虑通过高温热解法、直接缩聚法、乳液法、悬浮法、高温碳化法、化学气相沉积法、还原法、模板法、电弧放电法等常用制备法制备碳球，其中的高温碳球法，例如：实验中将原料颗粒（中间相沥青、酚醛树脂）和纳米级SiO2颗粒混合均匀，预氧化之后再在惰性气体下碳化，用氢氟酸处理之后制得碳微球。

（2）分析实验数据，探讨哪些因素会影响最终产物形貌及组成。

答：分析实验数据，制备过程中的反应条件如原料的配比（如：Na2TeO3和AgNO3的配比）、葡萄糖的起始浓度、反应溶液的pH、溶液的均匀性和分散性、水热合成的反应温度和反应时间都直接影响最终形成产物的粒径分布和形貌，特别地，葡萄糖的起始浓度、反应溶液的pH、溶液的均匀性和分散性相对影响较大。

（3）评价你所制备碳包覆碲化银这个材料的应用前景，并提出改进实验的设想和建议。

答：碳包覆碲化银材料由于具有高密度、高强度、高比表面积的特点，已引起许多研究人员的广泛兴趣。

碳包覆碲化银材料的形状和大小显著影响着其应用领域。

碳包覆碲化银材料有令人欣喜的应用前景：1、由于单斜的Ag2Te具有高的电子迁移率和晶格热导率，所以可以作为半导体晶体材料；2、可以作为原位聚合模板，制备多层包覆结构的材料；3、锂离子电池负极材料；超级电容器材料；4、作燃料电池催化剂载体，比一般Pt 作为载体的活性要高；5、用作模板制备空心球状材料；6、电化学储氢材料；阻尼材料；生化及药物的运输载体；7、生物化学、生物诊断以及药物传输领域；制备核壳结构材料或者多孔材料的模板。

七、结论（1）由上述配比下（0.085g硝酸银、0.0554g亚碲酸钠，即AgNO3：Na2TeO3 = 2:1）和相应的反应环境（如：pH等条件）下，所制得的产品中晶相Ag和Te比较多，这说明在Na2TeO3和AgNO3反应生成Ag2TeO3的过程前，绝大多数的Na2TeO3和AgNO3已经在葡萄糖的醛基还原作用下分解生成Ag和Te，只有少部分的Na2TeO3和AgNO3反应生成Ag2TeO3，并在葡萄糖的醛基还原作用下分解生成Ag2Te，故需进一步控制原料的配比、反应条件来得到目标产物——炭包碲化银纳米线。

（2）由水热法制备炭包碲化银纳米线具有绿色环保无污染的特点，实验过程中没有引入任何引发剂以及有毒溶剂，得到的炭球（产品中的成分）表面含有大量活性官能团，具有优良的亲水性和表面反应活性，可应用于生物化学、生物诊断以及药物传输领域，也可以作为制备核壳结构材料或者多孔材料的模板等等，具有令人欣喜的应用前景。

（3）利用 XRD 图谱分析、红外光谱分析技术对所得的样品进行表征和分析后发现，水热法制备炭包碲化银纳米线可以通过控制原料的配比（如：Na2TeO3和AgNO3的配比）、葡萄糖的起始浓度、反应溶液的pH、溶液的均匀性和分散性、水热合成的反应温度和反应时间得到直径分布较广的炭包碲化银纳米线材料，该材料表面存在大量活性官能团，具有优良的亲水性和表面反应活性。

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