实验二：沉淀法制备纳米氧化锌粉体-开放性实验项目指导书

开放性实验项目指导书实验项目名称沉淀法制备纳米氧化锌粉体
学院（中心）：材料科学与工程学院
实验室名称：材料科学与工程基础实验室
指导教师：张勇
面向专业：材料类及其它工科专业
2014 年10月8 日
实验：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、实验设备及原料
1）主要仪器设备：
恒温水浴、磁力搅拌器、离心机、温度计、烧杯、烧瓶、电子天平、
扫描电子显微镜；
2）原料：
Zn (NO3)2·6H2O、蒸馏水、氢氧化钠NaOH、乙醇、
三、实验内容
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（NH3.H2O）、尿素（CO(NH2)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)
--→+242)(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。

四、实验步骤
实验方案一：用NaOH 作沉淀剂一步法直接制备柱状纳米氧化锌。

1、在室温下，在烧杯中称取0.9 g Zn(NO 3)2·6H 2O （0.003 mol ）然后加入120 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2.4g NaOH (0.06 mol) 然后加入120 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(NO 3)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300mL 烧瓶中在80 °C 的水浴中反应0~6 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。

（Zn 2+/OH ‾的摩尔比为1 ：20）
图1. 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 (Zn 2+/OH ‾的摩尔比为1 : 20)
图2. NaOH 浓度为0.25 mol/L ，80 °C 下6 h 合成ZnO 纳米结构的SEM 照片(Zn 2+/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）
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)。

五、实验要求
1、设计实验方案： (1) 设计不同的原料进行配比；
(2) 设计不同反应温度及时间。

设计实验方案要求：方案必须切合实际，具有可操作性；尽量选择原料易得，反应条件温和，后处理方便，环境友好的方案。

2、上交实验方案：开课前一周上交设计的实验方案，待指导老师修改后再进行。

3、实施实验方案：根据自己的实验方案，进实验室实施实验。

学生在实验操作过程中自己动手独立完成，科学、真实地记录实验过程和实验现象，4人为1组。

六、实验报告要求
实验报告应包括以下内容：
（1）实验目的；（2）实验原理；（3）仪器与试剂；（4）实验步骤；（5）数据、图片处理与结果；（6）问题讨论。

七、思考题
1、NaOH与锌盐的浓度比及反应时间、反应温度对产物有何影响？
2、为什么实验反应产物能够直接得到氧化锌晶体而不是氢氧化锌？
相关资料：
利用X射线衍射仪（XRD）测定产物的晶体结构；利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察产物的形貌。

相关资料
用尿素作沉淀剂进行沉淀反应实验步骤：
1、在室温下，在烧杯中称取3.0 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、用蒸馏水配制40 mL尿素（1.8 g）溶液，使尿素与硝酸锌的摩尔比为3：1，并将尿素溶液倒入烧瓶，与锌盐溶液混合均匀。

3、将混合后的溶液在90~100 °C加热反应3 h。

4、将反应所得沉淀过滤，洗涤（用蒸馏水洗涤）。

5、将洗涤后的滤饼放入80 °C的烘箱内干燥，得前驱物碱式碳酸锌，呈白色粉末状。

6、将前驱物放入马弗炉内450℃煅烧2 h，即得纳米氧化锌粉体。