【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 振動(dòng)使分子處于亞穩(wěn)態(tài), 這有利于分子進(jìn)一步電離或處于反應(yīng)的準(zhǔn)備狀態(tài), 因此被加熱物質(zhì)的溫度在很短的時(shí)間內(nèi)得以迅速升高。微波加熱與傳統(tǒng)加熱方式有明顯差別, 微波加熱是材料在電磁場(chǎng)中由介質(zhì)損耗而引起的體加熱,微波進(jìn)入到物質(zhì)內(nèi)部,微波場(chǎng)與物質(zhì)相互作用,使電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的熱能,溫度梯度是內(nèi)高外低。而傳統(tǒng)的加熱是熱源通過(guò)熱輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流的方式,把熱量傳遞到被加熱物質(zhì)的表面,使其表面溫度升高, 再依靠傳使熱量由外向內(nèi)傳遞,溫度梯度是外高內(nèi)低。微波加熱[16]的顯著特點(diǎn)是：物質(zhì)總是處在微波場(chǎng)中, 內(nèi)部粒子的運(yùn)動(dòng)除遵循熱力學(xué)規(guī)律之外,還受到電磁場(chǎng)的影響,溫度越高,粒子活性越大,受電磁場(chǎng)影響越強(qiáng)烈。因此在微波反應(yīng)的過(guò)程中分子的團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯。微波合成法的優(yōu)點(diǎn)：(1)條件溫和、能耗低、反應(yīng)速度快。(2)微波能可直接穿透一定深度的樣品,里外同時(shí)加熱,不需傳熱過(guò)程,瞬時(shí)可達(dá)一定的溫度。(3)通過(guò)調(diào)節(jié)微波的輸出功率,可使樣品的加熱情況立即無(wú)惰性地改變, 便于進(jìn)行自動(dòng)控制和連續(xù)操作。(4)熱能利用率高(50%～70%),可大大節(jié)約能量。在無(wú)機(jī)合成方面,微波主要用于燒結(jié)、燃燒合成和水熱合成。所謂微波燒結(jié)或微波燃燒合成是指用微波輻照固體原料, 原料吸收微波能而迅速升溫,達(dá)到一定溫度后,引發(fā)燃燒合成反應(yīng)或完成燒結(jié)過(guò)程。微波水熱合成可用于制備氧化物粉體、氮化物粉體、沸石分子篩等。 選題依據(jù)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 選題依據(jù)納米材料已在物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物、航空航天等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。氧化亞銅是p型半導(dǎo)體材料[17]，用途非常廣泛。除了可作為船舶防腐涂料及殺蟲(chóng)劑外[18]，也可在有機(jī)合成中作為催化劑使用[19]，更應(yīng)用陶瓷和電子器件方面。由于量子尺寸效應(yīng)，納米級(jí)氧化亞銅具胡特殊的光學(xué)、電學(xué)及光電化學(xué)性，在太陽(yáng)能電池、傳感器、超導(dǎo)體、制氫和電致變色等方面有著潛在的應(yīng)用，氧化亞銅在玻璃工藝中用作紅玻璃著色劑，在陶瓷工藝中用作紅瓷釉著色劑[20]。但是由于技術(shù)水平的限制，雖然現(xiàn)在制備的氧化亞銅顆粒雖然達(dá)到了納米級(jí)，但合成方法還存在許多問(wèn)題，例如納米顆粒的粒度分布均勻性、純度等還無(wú)法滿(mǎn)足一些應(yīng)用的要求。如今納米Fe3O納米TiO2等多種納米材料已得到廣泛的應(yīng)用。未來(lái)，納米材料的研究必定極大的促進(jìn)各笠領(lǐng)域發(fā)展。甚至有專(zhuān)家預(yù)言納米氧化亞銅可以在環(huán)境中處理有機(jī)污染物，因此研究制備納米氧化亞銅的方法就成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容借助微波輔助合成法合成氧化亞銅粉體，通過(guò)SEM、XRD等測(cè)試手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征，研究還原劑用量、PH、微波功率、微波反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化亞銅粉體形貌及性能的影響，重點(diǎn)探討微波輔助合成與其它方法的不同。第二章 氧化亞銅的制備 反應(yīng)原理淀粉的水解淀粉為高分子化合物，是一種重要的多糖，是一種相對(duì)分子量很大的天然高分子化合物，在稀硫酸，加熱的條件下可以水解為葡萄糖。 化學(xué)式（21）氧化亞銅的生成 化學(xué)式(22) 化學(xué)式(23) 化學(xué)式(24) 化學(xué)式(25) 化學(xué)式（26） 開(kāi)始后，首先發(fā)生Cu2+水解，生成Cu(OH)2或CuO(化學(xué)反應(yīng)式(22)、式(23))。反應(yīng)前、中期在氫氧化鈉溶液加入點(diǎn)附近區(qū)域，觀察到藍(lán)色或黑色沉淀出現(xiàn)， 可以證實(shí)此點(diǎn)反應(yīng)后期，Cu+水解基本完成后，體系pH 值升高，葡萄糖還原Cu(OH)2生成Cu20（化學(xué)式（23）、式（26）），此時(shí)，料漿顏色逐步轉(zhuǎn)化為橙黃色。在此過(guò)程中， 由于體系中Cu(OH)濃度低，Cu2O形核與生長(zhǎng)的過(guò)飽和度很小，最終顆粒在一次形核的基礎(chǔ)上，按生長(zhǎng)機(jī)制長(zhǎng)大，因此，其單分散性較好。 氧化亞銅特殊形貌的形成機(jī)理初析 NaOH溶液與CuSO4溶液混合后，二價(jià)銅源主要以Cu(OH)2形式儲(chǔ)存，并存在有少量Cu2+ 、Cu(OH)等離子。由于Cu2+出自Cu(OH)2的緩慢釋放，使得Cu2O顆粒按“爆發(fā)成核，緩慢生長(zhǎng)”的模式形成。 加入淀粉后溶液中含有大量的葡萄糖，初始游離的Cu2+迅速反應(yīng)使Cu+ 的濃度達(dá)到要求，發(fā)生成核，而后續(xù)反應(yīng)所需Cu2+出自于Cu(OH)2的緩慢釋放，所以反應(yīng)速率很快降低，使得體系中Cu+的濃度迅速下降，從而停止成核，緩慢生長(zhǎng)，有效地實(shí)現(xiàn)了Cu2O顆粒成核生長(zhǎng)過(guò)程的分離，Cu2O 晶核的緩慢生長(zhǎng)及微波反應(yīng)中分子的高速旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)作用能及時(shí)消除初始晶核的軟團(tuán)聚，避免了晶核之間由于快速生長(zhǎng)形成而化學(xué)鍵并發(fā)生硬團(tuán)聚，從而得到了單分散的Cu2O粒子。在顆粒長(zhǎng)大過(guò)程中，（111）和（1OO）晶面生長(zhǎng)速度大致相當(dāng)，根據(jù)熱力學(xué)理論，在溶液體系中，相關(guān)離子的飽和度與晶體各晶面相對(duì)生長(zhǎng)速率密切相關(guān)，因此，在制備氧化亞銅過(guò)程中，通過(guò)一次性加入還原劑，使大量的Cu2+被快速還原為Cu+,使得Cu+的過(guò)飽和度較高，晶核主要以聚集形式生長(zhǎng)，Cu2O指數(shù)較高的（111）晶面生長(zhǎng)速率相對(duì)較小，（100）晶面生長(zhǎng)速率較大，最終（100）面消失，（111）面裸露，從而使最終氧化亞銅的晶體形貌呈球狀。溫度升高，Cu(OH)濃度及還原反應(yīng)速度提高，Cu2O形核過(guò)飽和度增大，分子的動(dòng)能增加，Cu+的游離性能變強(qiáng)，晶核數(shù)增多，因此，最終顆粒粒度較小。上述過(guò)程中，一方面由于固相Cu(OH)2的位阻作用避免了晶核大量團(tuán)聚，另一方面由于微波反應(yīng)中分子的高速旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)作用可以及時(shí)消除晶核的初始軟團(tuán)聚，從而在緩慢生長(zhǎng)后得到了單分散的Cu20顆粒。 試劑與儀器 試劑與儀器見(jiàn)表21?！　”?1 實(shí)驗(yàn)所需藥品和儀器列表名稱(chēng)產(chǎn)地五水硫酸銅（分析純）天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司氫氧化鈉（分析純）天津市廣成化學(xué)試劑有限公司99%濃硫酸萊陽(yáng)訕康德化工有限公司可溶性淀粉（分析純）天津市大茂化學(xué)試劑廠無(wú)水乙醇（分析純）富宇精細(xì)化工有限公司電子精密天平上海津科天平有限公司恒溫水浴鍋上海恒平儀器儀表有限公司磁力攪拌器江蘇金壇市大地自動(dòng)化儀器廠微波爐廣東美的集團(tuán)股份有限公司電熱真空干燥箱上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司高速離心機(jī)北京醫(yī)用離心機(jī)廠 溶液的配制CuSO4溶液的配制：利用電子精密天平取五水硫酸銅藥品125g置于500ml燒杯中，加入300ml蒸餾水并用玻璃棒攪拌，之后放入電磁攪拌器上進(jìn)行攪拌直到顆粒完全溶解，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移至500ml溶量瓶中用蒸餾水標(biāo)定到刻度線，搖勻配成1mol/L的溶液。NaOH溶液的配制：用電子稱(chēng)量氫氧化鈉40g置于500ml燒杯中，加入300ml蒸餾水并用玻璃棒進(jìn)行攪拌，將燒杯放入電磁攪拌器上進(jìn)行攪拌直到溶液中沒(méi)有沉淀為止，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移至500ml溶量瓶中用蒸餾水標(biāo)定到刻度線，搖勻配成2mol/L的溶液。20%硫酸的配制：取99%的濃硫酸61ml，緩慢地倒入含有400ml蒸餾水的燒杯中，并且不停地?cái)嚢?，待溶液冷卻至室溫后將溶液轉(zhuǎn)移至500ml溶量瓶中，用蒸餾水標(biāo)定到刻度線，搖勻。第三章 單因素實(shí)驗(yàn) 淀粉還原劑的用量對(duì)氧化亞銅晶體的影響 實(shí)驗(yàn)過(guò)程本組實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表31。 表31 不同淀粉用量下的實(shí)驗(yàn)條件 編號(hào)淀粉用量/g微波功率/WPH反應(yīng)時(shí)間/minCuSO4加入量/mlNaOH加入量/ml138010101010238010101010338010101010438010101010538010101010638010101010實(shí)驗(yàn)步驟： (1)取一組50ml小燒杯及500ml大燒杯用蒸餾水洗凈，并置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中60℃干燥12h后取出，分別編號(hào)16。(2)用電子精密天平稱(chēng)量可溶性淀粉于小燒杯中，對(duì)應(yīng)編號(hào)如表31，加入10ml的20%的硫酸，用玻璃棒攪拌23分鐘直到?jīng)]有沉沒(méi)出現(xiàn)為止，將淀粉溶液倒入500ml大燒杯中，并用蒸餾水將洗殘余淀粉沖入大燒杯中，將500ml大燒杯置于恒溫水浴鍋中80℃水浴20min，并且不停地用玻璃棒進(jìn)行攪拌，直到淀粉完全水解。(3)將水解完全的淀粉溶液取出，用NaOH調(diào)節(jié)PH值為12，另取一個(gè)燒杯，分別取10ml(1mol/L)的CuSO4和10ml(2mol/L)的NaOH，將這兩種溶液混合，出現(xiàn)藍(lán)色Cu(OH)2沉淀，將沉淀移入淀粉溶液中，用蒸餾水多次沖凈直到燒杯中沒(méi)有殘留的Cu(OH)2沉淀。(4)將大燒杯放入微波爐中，中火加熱1020分鐘并觀察、記錄現(xiàn)象。(5)將反應(yīng)后的燒杯取出，用保鮮膜動(dòng)封口，冷卻至室溫后離心管中離心，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，離心時(shí)間為15min。三次用蒸餾水洗滌，三次用無(wú)水乙醇洗滌。(6)離心結(jié)束后將溶液倒掉，只留沉淀，并將沉淀轉(zhuǎn)移至已編號(hào)的小燒杯中，用蒸餾水洗凈離心管中產(chǎn)物于小燒杯中。(7)將帶有產(chǎn)品的小燒杯放入真空干燥箱溫度升到70℃，設(shè)定干燥時(shí)間為24小時(shí)。(8)取出樣品，用玻璃棒將藥品捻成粉末，裝入包裝袋中編號(hào)并保存，之后進(jìn)行XRD、SEM掃描分析。 XRD圖譜分析謝樂(lè)公式表達(dá)式為D=Kλ/(βcosθ)（K為常數(shù)，；λ為