直接沉淀法制备纳米ZnO实验(论文)

沉淀法制备纳米ZnO与表征实验

---以氯化锌为原料

系别：应用化学系

班级：1004班

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指导教师：***

直接沉淀法制备纳米氧化锌实验

作者：刘凯强

摘要：以氯化锌为原料, 直接沉淀法制备ZnO纳米粒子; 研究了制备过程中Zn离子浓度、焙烧温度等条件对ZnO纳米晶体粒径的影响, 并对其机理进行了分析。实验结果表明, 较小的反应浓度可以获得较小的晶体粒径; 在其它反应条件相同的情况下, 制备的纳米ZnO粒子, 其晶粒尺寸随着焙烧温度的增加, 晶粒逐渐增大, 为ZnO的应用开辟了更为广阔的前景。

关键词: 纳米氧化锌，直接沉淀法, 制备，表征。

引言

纳米氧化锌（粒子直径在1-100nm）是近年来已发现的一种高新技术材料，是一种新型的高功能精细无机材料,由于其具有量子尺寸效应,小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[1],因而纳米ZnO产生了其体相材料所不具备的这些效应、展现了许多特殊的性质，由于其粒子的尺寸小，比表面积大，使其在化学，光学，生物和电学等方面表现出许多独特优异的物理和化学性能。与普通氧化锌相比，具有优良的光活性，电活性，烧结活性和催化活性，如无毒和非迁移性，荧光性，压电性，吸收和散射紫外线能力。

这一新的物质状态，赋予氧化锌这一古老产品在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质、电等方面有着广阔的应用前景。如制造气体传感器，荧光体。紫外线屏蔽材料，变阻器，图像记录材料，压电材料，压敏电阻，磁性材料，高效催化剂和塑料薄膜等[2]。利用氧化锌的电阻变化，可制成气体报警器，吸湿离子传导温度计;利用纳米氧化锌的紫外屏蔽能力，可制成紫外线过滤器，化妆品；以氧化锌为主体，配以Bi2O3，Pb6O11，BaO等粉末材料烧结成型，可得变阻器；利用氧化锌半导体光敏理论，纳米氧化锌可作高效光催化剂，用于降解废水中的有机污染物，净化环境等。

氧化锌的结构性能

氧化锌（ZnO）晶体是纤锌矿结构，属六方晶系，为极性晶体。氧化锌晶体结构中，Zn原子按六方紧密堆积排列，每个Zn原子周围有4个氧原子，构成Zn-O4配位四面体结构，四面体的面与正极面C( 00001)平行，四面体的顶角正对向负极面(0001)，晶格常数a=342pm, c=519pm,密度为5.6g/cm3，熔点为2070k,

室温下的禁带宽度为3.2eV。

ZnO晶体结构在C (00001)面的投影 ZnO纤锌矿晶格图

纳米氧化锌的制备方法

制备纳米ZnO的方法,可分为气相法、液相法和高能球磨法。在液相法中的沉淀合成工艺简单,成本低,便于实现工业化生产。其中直接沉淀法是制备纳米ZnO的一种重要的方法,也是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后,于一定条件下生成沉淀剂后从溶液中析出,将阴离子除去,沉淀经热分解制得纳米ZnO[3]。本实验采用直接沉淀法,制备了ZnO纳米粒子,并用XRD衍射仪对产物进行了组分分析。

实验部分

实验目的：

（1）了解纳米氧化锌的基本性质及主要应用。

（2）通过实验掌握纳米氧化锌制备方法及表征方法。

实验试剂及仪器：

氯化锌,分析纯 X-射线衍射仪循环水真空泵

氢氧化纳,分析纯马弗炉抽滤瓶

无水乙醇,分析纯分析天平布氏漏斗

去离子水磁力搅拌器 X-射线衍射仪

反应机理：

以氯化锌为原料、氢氧化纳为沉淀剂制备纳米ZnO的反应方程式如下:

沉淀反应：

+Zn(OH)2+2NaCl

ZnCl22NaOH=

热处理：

Zn(OH)2ZnO(s)H

2O

+

工艺流程：

产物晶体影响因素讨论：

①反应物浓度对ZnO粒径的影响[4]

利用XRD测试技术,根据谢乐公式D=0.89λ/(Bcosθ)[4](其中λ为Cu靶的波长,B为衍射峰半高宽, θ为衍射角) ,研究反应物浓度为ZnO晶体粒径的影响。

表1反应物浓度对纳米ZnO粒径的影响

结果表明,其它条件相同的情况下,随着反应物浓度的增加,制备的ZnO的粒径逐渐增大。从折线图1中我们可以清楚的看出,反应物浓度从0.1mol/ L增加到1.5mol/ L时,制备得到的ZnO的粒径从21.48nm增加到了27.51nm,但是在浓

度0.5mol/ L～1.0mol/ L的范围内,浓度对制备的ZnO的粒径影响不大。

图1纳米ZnO晶体粒径随反应物图2 不同反应物浓度下制得的ZnO纳米晶粒浓度的变化曲线的XRD衍射图谱图2给出了不同反应物浓度下制备的ZnO纳米晶体的XRD衍射图谱,图中的d2、c2、b2、a2分别代表反应物氯化锌的4种不同的浓度,分别为0.1、0.5、1.0和1.5mol/ L。从图谱中我们可以看出,4种不同浓度下制备的ZnO的XRD衍射图谱没有明显的差别,与纯相ZnO的XRD图谱比较,可知4种浓度下都制得了纯相的ZnO粒子。

②煅烧温度对ZnO粒径的影响

以氯化锌为原料,在相同的摩尔浓度(1.0mol/L)下,制备出的产物,分别在200℃、300℃、400℃、500℃焙烧2h,得到纳米ZnO晶体微粒。表2列出了不同温度下,纳米ZnO晶体的粒径。

表2 煅烧温度对纳米ZnO晶体粒径的影响

图3则给出了在其它反应条件相同的情况下,ZnO粒径随焙烧温度变化的曲线,从图中我们可以明显看出,随着焙烧温度的增加,所制备的纳米ZnO晶体的粒径也逐渐增大。

图3 ZnO晶体粒径随焙烧温度的图4不同温度焙烧制得的ZnO纳米晶粒的变化曲线 XRD衍射图谱图4给出了不同温度焙烧制得的ZnO纳米晶粒的XRD衍射图谱,b2、b3、b4和b5分别为200℃、300℃、400℃和500℃下焙烧制得的ZnO纳米晶体的X射线衍射图谱。从图中可以看出,随着焙烧温度的升高(从b2到b5) ,纳米粒子的X 射线衍射峰逐渐由宽变窄、由弱变强[5]。

故反应中氯化锌溶液浓度以1.0mol/L，煅烧温度以500℃适当。

制备过程：

(1)前驱物的制备：取浓度为1.0mol/ L的锌盐溶液,在磁力搅拌的条件下迅速加入等摩尔的氢氧化钠溶液(1.0mol/ L) ,并强烈搅拌,生成物用布氏漏斗减压过滤,并用去离子水和无水乙醇进行洗涤,放入60℃的烘箱中进行干燥,得到前驱物。

(2)纳米ZnO的制备：将制得的前驱物放于马弗炉内以500℃条件下进行焙烧15min,得到了纳米ZnO粒子（白色粉末状固体）。

产物测试：

用洗净烘干的研钵将氧化锌粉末研磨后压片，用XRD-射线衍射仪对制备的纳米ZnO进行表征。

实验结论：

XRD图谱分析：从图中可以知道，在31.76,34.46,36.26，47.54,56.60,62.90,68.00 等处都有较强的峰，且与氧化锌的标准图谱相对应，说明产品中含有氧化锌。