1、水热法纳米氧化锌晶体的制被备及其形貌控制和发光性能学院：理学院专业：材料化学姓名：蒋杰学号：090242112水热法纳米氧化锌晶体的制被备及其形貌控制和发光性能姓名：蒋杰 学号：090242112 院系：理学院 完成时间：2011年5月6日 至6月12日指导老师：皱云玲一、实验目的1.了解水热法合成纳米级氧化锌的合成工艺。2.探索水热条件下纳米级氧化锌晶体形貌的影响因素。3.检测产品的光致发光性能。二、实验内容纳米材料是21世纪末在材料科学领域发展起来的一个新兴的研究方向。近年来，已经开发了多种制备纳米粒子的新工艺，制备出金属单质、氧化物、盐类和有机无机纳米复合粒子。但大多数工艺中，即使对制备
2、参数进行严格控制，产物的粒径分布也较宽。由于纳米粒子独特的光、磁、电子和催化性能具有高度尺寸相关性，在一些基础和应用研究中，往往首先需要对纳米粒子进行复杂的粒径分级。与此同时，国内外学者也在积极探索能够直接得到具有一定粒径和较窄粒径分布纳米粒子的可控合成工艺。纳米ZnO是指至少在一个维度上达到纳米级尺寸的ZnO晶体。跟普通ZnO相比，纳米ZnO在光电子材料、废水处理、杀菌、环保、生物工程、高聚物添加剂、自洁陶瓷、紫外线屏蔽剂和高效催化等领域具有广泛的应用前景，被誉为面向21世纪的现代功能材料 【1】 。纳米ZnO的形态也有多种，比如纳米管，纳米线，纳米环，纳米带，纳米钉，纳米笼，纳米螺旋等等。
3、国外在纳米材料的研究开发和产业化方面起步较早，有关纳米 ZnO 抗菌复合材料的研究报道较多，如日本三菱公司开发了用于食品包装的纳米 ZnO 抗菌聚烯烃薄膜，具有优良的抗菌、杀菌效果；日本帝人公司采用纳米 ZnO 和 SiO2混合消臭剂生产除臭纤维，能吸收臭味，净化空气。日本还有专利报道将处理后纳米 ZnO 加入陶瓷制品中，制造具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用陶瓷制品。 【1】此外，纳米级 ZnO 在日常生活中也有巨大的作用。在日常化工及医药、吸波材料、光催化剂、图像记录材料、橡胶工业和涂料等领域都有着重要广泛的应用。 【1】纳米级 ZnO 的合成方法有很多种，主要有水热法、共沉淀法、溶胶-凝
4、胶法、电化学沉积、电泳法、微乳法、微波法、离子液体法等。本实验采用简单易操作的水热法。3、实验原理水热法是指在密封的压力容器中，以水为溶剂，在高温高压的条件下进行的化学反应。水热结晶体生长使用相对较低的温度，有时在密闭系统里进行，可以控制反映气氛而形成氧化或还原反应条件，实现其他方法难以获取的某些物相生成；水热反应体系存在溶液的快速对流和十分有效的容质扩散，因此水热结晶具有较快的生长速率。利用水热法合成氧化锌的反应过程大致可分为两部：将可溶性锌盐和碱液混合形成氢氧化锌的沉淀反应和氢氧化锌的脱水生成氧化锌的脱水反应，这两个反应通常是集合在同一反应器内同时完成，这样可以得到比普通水热反应迎颗粒度小
5、许多的结晶完好的氧化锌晶粒。此处则是将沉淀反应与脱水反应分开进行，这样更有利于分析反应条件变化对晶体形貌的影响。故先在高速搅拌的情况下完成共沉淀反应，而在反应釜内只发生脱水反应。反应方程式：Zn2+ + 4NH3H2O Zn(NH3)4(OH)2+2H+ + 2H2O ZnO+2NH4+ 2NH3+3H2O四、实验药品、试剂及仪器硝酸锌 Zn(NO3)26H2O AR 天津市瑞金特化学品有限公司氢氧化钠 NaOH AR 天津市瑞金特化学品有限公司无水乙醇 C2H5OH AR 天津市瑞金特化学品有限公司过氧化氢 H2O2 AR 天津市瑞金特化学品有限公司氨水 NH3H2O AR 天津市瑞金特化学
6、品有限公司反应釜及内衬 不锈钢，聚四氟 100ml恒温磁力搅拌器 85-2 型 国华电器有限公司电热恒温干燥箱 DH-202/201 天津市中环实验电炉有限公司电子天平 FA2004N 上海精密科学仪器有限公司循环水式多用真空泵 SHB- 型 郑州长城科工贸有限公司蔡斯偏光显微镜 AXIOSKOP40 ZEISS荧光分光光度计 WGY-10 天津港东发展有限公司X-射线粉末衍射仪 DX-2000 丹东方圆仪器有限公司五、实验步骤1.称取 5.95g Zn(NO3)26H2O，溶于 40mL 蒸馏水中，搅拌至完全溶解。2.按照硝酸锌与氨水的摩尔比为 1：4，量取 6 mL NH3H2O（或称取
7、1.6g 氢氧化钠，溶于 30 mL 蒸馏水中） ，在电磁搅拌器搅拌的条件下将氨水（或氢氧化钠溶液）缓慢滴入Zn(NO3)26H2O 中；（注：加入氢氧化钠溶液后生成的白色沉淀，通过离心分离，取出清夜） 。3.继续搅拌 30 min；添加双氧水或无水乙醇，继续搅拌 20 min ；将所得的溶液转移至反应釜中，180 保温 4h 。将所得产物进行抽滤，蒸馏水洗数遍，无水乙醇洗两遍；将抽滤产物放入培养皿，放入 80 摄氏度保温箱干燥 2h 。4.取出烘干后的样品，放入样品袋，对样品进行 XRD 、 显微结构、荧光光谱表征。实验试剂用量与配比1.添加双氧水编号 Z n(NO3)26H2O 蒸馏水 N
8、H3H2O H2O2 H2O 时间 温度W-1-01 5.95g 40mL 6mL 10mL 20mL 4h 180W-1-02 5.95g 40mL 6mL 20mL 10mL 4h 180W-1-03 5.95g 40mL 6mL 30mL 0mL 4h 1802.添加无水乙醇编号 Z n(NO3)26H2O 蒸馏水 NH3H2O 无水乙醇 H 2O 时间 温度W-2-01 5.95g 40mL 6mL 10mL 20mL 4h 180 W-2-02 5.95g 40mL 6mL 20mL 10mL 4h 180W-2-03 5.95g 40mL 6mL 30mL 0mL 4h 1806实
9、验结果与讨论1、纳米氧化锌的显微结构分析在偏光显微镜下以 6300K 色温冷光光源并在 40 倍平场消色差物镜下观察，观测到的图片如下所列。1 2 3图 1 纳米氧化锌在偏光显微镜下的形貌由图 1 可见，当脱水反应体系为“过氧化氢水”时，形成的产物为两头尖的针状细长晶体。通常情况下，锌离子较容易被+【0001】面捕获，生长速度最先消失故而形成针状。因此形成了一维结构的氧化锌晶体。在水热反应初期，由于 Zn 离子充足，此时一维结构的生长主要由+c 轴向的生长速度决定，在此过程中，横向【1010】面的生长不受抑制，故形成了尺寸较大的直径。此外，李酽等学者提出 【2】 ，H 2O2的存在确保了晶体生
10、长的氧化性环境，H 2O2在体系中发生微弱电离：H 2O2H +HO2- HO2- H +O22- 并且 H2O2发生分解生成水和氧原子，氧原子和氧根离子往富 Zn 离子的正极面上吸附，同时体系存在的Zn 离子往氧的吸附层上继续吸附，因此促使晶体生长成针尖型结构。随着反应时间的推移，晶体不断长大，从图一中的针状结构不断长大，长成如图二图三中的扇形结构或者 8 字型结构。2、荧光光谱分析图 2 纳米氧化锌在 220nm 波长紫外光的激发的发光光谱在荧光分光光度计中对样品进行测试，在 220nm 波长紫外光的激发下，样品的发光光谱如图 2。样品在 402nm、456nm、547nm 附近都有峰，说
11、明样品具有紫色，蓝色和绿色发光性能，在 456nm 处峰值最大，说明蓝光的发光性能最好。7、实验结论根据本实验可以得出：添加剂的不同对纳米氧化锌晶体的生长是有不同的影响的。在以过氧化氢为添加剂的前三组实验中，晶体大多形成为针状，直径比较大，随着过氧化氢的浓度不断加大，纳米氧化锌晶体的颗粒不断变大。在激发波长为 220nm 时，紫色，蓝色和绿色区域部分有较强发光，蓝色发光性能最好。而以乙醇为溶剂的实验中，晶体直径比较小，以形成六方片状晶体为主，晶体相对来说比较分散，除蓝色绿色区域有发光外，在紫光部分发光最强。八、实验总结通过这次的开放性实验课，了解到以前很少接触到的纳米材料。而且在实验的过程中，掌握了各种实验仪器、设备的基本原理和使用方法，懂得了更多的实验知识，这次课程让我收获很多。参考文献：【1】邵金璐，卢秀萍纳米 Zno 的应用研究进展浙江化工 2005 年第 36 卷第 10 期。【2】李酽，风慧云，皱云玲，蔡贵祥。溶剂介质对 ZnO 晶体极性生长的影响【J】 。兰州理工大学学报，2008（6）：30-33
