沉淀法制备纳米氧化锌粉体讲义

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 -，CO 32-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(NO 3)2、氯化锌ZnCl 2、醋酸锌ZnAc 2。常用的沉淀剂有氢氧化钠（NaOH ）、氨水（NH 3·H 2O ）、尿素（CO(NH 2)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NH 3·H 2O 与锌离子反应生成沉淀。反应如下：

O H NH CO O H NH CO 23222223)(⋅+→+

OH -的生成： -++→⋅OH NH O H NH 423

CO 32-的生成： O H CO NH CO O H NH 223422322++→+⋅-+

形成前驱物碱式碳酸锌的反应：

↓⋅⋅→+++--+O H OH Zn ZnCO O H OH CO Zn 2232232)(243

热处理后得产物ZnO ：

O H CO ZnO O H OH Zn ZnCO 2222323)(2+↑+→⋅⋅

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 →+-+

--→+2

42)(2)(OH Zn OH OH Zn

--++↓→OH O H ZnO OH Zn 2)(22

4

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：恒温水浴锅1台、温度计1支、烧杯（100mL ）1只、烧杯（250mL ）1只、台秤1台、量筒（100mL ）1支、漏斗1只、铁架台（带铁圈）1只、坩埚2个、激光纳米粒度仪1台。

试剂：硝酸锌Zn(NO 3)2·6H 2O （A. R ）、尿素（A. R ）、NaOH （A. R ）、乙醇（A. R ）、蒸馏水。

四、实验步骤

（一）用尿素作沉淀剂

1.在室温下，在烧杯中称取6.0gZn(NO 3)2·6H 2O （0.002mol ），然后加入80mL 蒸馏水，搅拌配成无色澄清的溶液。

2.称取

3.6g 尿素于烧杯中，加入蒸馏水配制成80mL 溶液，使尿素于硝酸锌的摩尔比为3:1，并将尿素溶液倒入硝酸锌溶液中，混合均匀。

3.将混合后的溶液在90~100℃加热反应3h ，观察现象，记录时间。

4.将反应所得沉淀过滤并用蒸馏水进行洗涤。

5.将洗涤后的滤饼放入80℃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2h ，即得纳米氧化锌粉体。

7.用纳米粒度分析仪表征纳米氧化锌粉体的粒度。

（二）用NaOH 作沉淀剂

1.在室温下，在烧杯中称取1.5g Zn(NO 3)2·6H 2O （0.005mol ），然后加入40mL 蒸馏水，搅拌配成无色澄清的溶液。

2.在室温下，在烧杯中称取0.8gNaOH （0.02mol ），然后加入40mL 蒸馏水，搅拌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，搅拌得到白色的悬浊溶液。

4.将悬浊溶液在80℃的水浴中反应2h ，观察实验现象，记录时间。

5.将白色沉淀物过滤，分别用水和酒精洗涤3次，放在烘箱中80℃下干燥10h 后得到粉体。

（Zn 2+/OH -的摩尔比为1：4）

（三）用激光粒度仪测定粉体的粒径。

五、数据记录处理

1.记录时间、实验现象。

2.记录氧化锌粉体的粒径分布。

六、思考题

1.尿素与锌盐的浓度比及反应时间、反应温度对产物有何影响？

2.沉淀法制备纳米氧化锌粉体的沉淀剂还有哪些？

3.纳米粉体的表征手段还有哪些？