【正文】 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 11 頁 共 23 頁 制備納米 ZnO 中間沉淀物 表 2 實(shí)驗(yàn)所需材料及其介紹 名稱 級(jí)別 分子量 產(chǎn)地 性狀 七水合硫酸鋅 化學(xué)純 廣州市潤(rùn)展化工有限公司 無色斜方晶系棱柱狀結(jié)晶 碳酸氫銨 化學(xué)純 鄭州沃原化工股份有限公司 無色或白色棱柱形結(jié)晶 氨水 分析純 石 家莊市華迪化工工貿(mào)有限公司 無色液體 蒸餾水 自制 18 實(shí)驗(yàn)室 無色液體 納米 ZnO的中間沉淀物是由外圍 ZnCO3包裹的中心是 Zn(OH)2組成的。 (2)用 10mL的量筒量取一定量的氨 水，配置成氨水水溶液，然后加入燒杯中，反應(yīng)完畢后再加入碳酸氫銨，直到產(chǎn)生大量氣泡為止。7H2O，用 100mL的量筒量取一定量的水于 500mL的燒杯中，將稱取好的 ZnSO4實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備型號(hào)如下圖所示： 表 1 實(shí)驗(yàn)所用儀器及其介紹 實(shí)驗(yàn)試劑 氨水、七水合硫酸鋅、碳酸氫銨、蒸餾水。探討的以及實(shí)驗(yàn)的主要部分放在中間沉淀產(chǎn)物上面。用途很多，范圍很大，發(fā)展前途無限。研究的意 義是：因?yàn)榧{米材料獨(dú)有的性能，使其具有廣泛的用途，是近年來新興的產(chǎn)業(yè)之一。 本課題研究的內(nèi)容和意義 本課題研究的主要是用沉淀法制備納米 ZnO的最佳反應(yīng)條件，通過控制 NH3H 2O=Zn(OH)2↓+(NH4)2SO4 (111) ZnSO4+NH4HCO3=ZnCO3↓+(NH4)2SO4 (112) 煅燒前驅(qū)體的化學(xué)反應(yīng)： Zn(OH)2=ZnO+H2O (113) ZnCO3=ZnO+CO2 (114) 沉淀法 制備納米 ZnO 過程出現(xiàn)的問題 (1)當(dāng)將 與 ZnSO4溶液發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的沉淀過濾、洗滌陰離子時(shí)比較困難。H 2O和 NH4HCO3為沉淀劑，與 ZnSO4溶液發(fā)生反應(yīng)，生成由 ZnCO3包裹的 Zn(OH)2前驅(qū)體。核一旦形成，就會(huì)通過擴(kuò)散的形式不斷長(zhǎng)大，在這個(gè)過程中，濃度和溫度對(duì)其影響至關(guān)重要，想要形成未聚集的顆粒，要求所有的核同時(shí)形成，隨后不再有成核過程，也沒有顆粒的聚集。 沉淀法原理 沉淀法的原理就是反應(yīng)溶液中的成核與長(zhǎng)大的過程。整個(gè)反應(yīng)式用下式表示： nA++nB+→[AB]。以上兩種方法較常見。 直接沉淀法是將可溶性鋅鹽溶液中加入沉淀劑使之產(chǎn)生沉淀，然后過濾，洗滌，在煅燒成納米粉體的一種制備納米 ZnO的方法。所得沉淀物都需經(jīng)過過濾、洗滌、烘干及煅燒得到 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 8 頁 共 23 頁 納米氧化物粉體。但是成本高，易形成不均勻成核。常見的反應(yīng)： Zn(CH3COO)2+2H2O=Zn(OH)2+2CH3COOH（堿性條件下） (17) Zn(OH)2=ZnO(s)+H2O↑(加熱 ) (18) （ 6） 醇鹽水解法 Zn的醇鹽能在水溶液中迅速水解，生成 Zn(OH)2沉淀 過濾、干燥、煅燒成納米ZnO粉體。 （ 5） 溶膠一凝膠法 [15] 溶膠一凝膠法是將 Zn的醇鹽或者無機(jī)鹽溶于水或者有機(jī)溶劑，經(jīng)過水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，在經(jīng)過干燥，煅燒得到納米 ZnO粉體。并且各個(gè) “水池 ”彼此分離，夠不成水相。 （ 4）微乳液法 [10,17] 微乳液是一種理想介質(zhì)，是由表面活性劑、助表面活性劑（通常為醇類）、水溶液或水、油組成的一種各向同性、透明的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。 （ 3） 水熱法 [14] 水熱法是將制備納米 ZnO的前驅(qū)體，放入高壓釜中的水熱介質(zhì)中在一定溫度和時(shí)間下發(fā)生水熱反應(yīng)，這就是水熱法。H 2O (14) Zn2++2NH3常用的反應(yīng)物有兩種：尿素和六亞甲基四胺。不同的是，直接沉淀法快，得到的納米產(chǎn)物分散性不好。H 2O=Zn(OH 2↓+2NH4+ (12) Zn(OH)2=ZnO+H2O↑ (T=500~800℃ ) (13) 直接沉淀法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不高，純度較高，成本也較低。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)以 NH3 （ 1） 直接沉淀法 [4] 所謂直接沉淀法就是向含有一種或者多種離子的溶液中加入反應(yīng)物使之在一定條件下產(chǎn)生沉淀，將沉淀從溶液中析出，出去陰離子，再將析出的沉淀物經(jīng)熱分解得到納米 ZnO。根據(jù)整個(gè)過程有沒有化學(xué)反應(yīng)分為兩種類型，分別為非反應(yīng)沉積法和反應(yīng)沉積法。用噴霧熱解法所得分散性好，粒徑分布窄，化學(xué)活性好，粒徑分布均勻，純度高，并且工藝易于控制，操作簡(jiǎn)單，設(shè)備造價(jià)低廉，頗 具工業(yè)化生產(chǎn)的條件和特點(diǎn)。原理是以液態(tài)物質(zhì)為前驅(qū)體，通過噴霧的形式直接得到產(chǎn)物。該 法不易團(tuán)聚，粒徑均一，能量轉(zhuǎn)化率高，可精確控制等優(yōu)點(diǎn)。該法具有可精確控制、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)率低、成本高、電能消耗大，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 （ 2）激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉淀法 該法以惰性氣體為載氣，以 Zn片為原料，用 CW—C02激光氣為熱源，加熱反應(yīng)原料，使之與 O2反應(yīng)生成 ZnO?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下： 2Zn+O2=2ZnO (T=550℃ ) （ 11） 用此種方法的優(yōu)點(diǎn)是：原料簡(jiǎn)單，價(jià)廉，易得，但是得到產(chǎn)品的粒度細(xì)，單分散性較好。氣相反應(yīng)合成法是在溫度大于907℃ 的條件下將鋅從熔融的金屬鋅或鋅的合金中升華而蒸發(fā)出來， 隨著鋅蒸汽與噴入的 氧化氣體一起的流動(dòng)，從而使 Zn氧化變成 ZnO粉末。 （ 1）化學(xué)氣相氧化法 化學(xué)氣相氧化法是以氧氣為氧源，鋅粉為原料，在高溫下， 以 N2作為載體進(jìn)行氧化還原反應(yīng)制得納米 ZnO。其特點(diǎn)是結(jié)晶好、粒度可控、純度高，但技術(shù)要求高。 氣相法 [2] 目前生產(chǎn)納米材料的最有效方法之一就是氣相法。該法克服了傳統(tǒng)濕法存在 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 5 頁 共 23 頁 團(tuán)聚現(xiàn)象等缺點(diǎn)，同時(shí)反應(yīng)具有產(chǎn)率高，反應(yīng)條件，無需溶劑易掌握等優(yōu)點(diǎn)，是一種簡(jiǎn)單可行的方法。操作完畢后得到前驅(qū)體 ZnC2O4通過查閱資料： 俞建群等利用低熱固相配位化學(xué)反應(yīng)的方法合成納米 ZnO。液相法分為： 直接沉積法、均勻沉積法、水熱法、微乳液法、溶膠一凝膠法、模板法和醇鹽水解法等 固相法 [1] 固相合成法也稱為固相化學(xué)反應(yīng)法，是近幾年來剛剛發(fā)展起來的、一種廉價(jià)而又簡(jiǎn)便的新方法。化學(xué)方法又可分為氣相法、固相法和液相法?；瘜W(xué)方法又叫造粒法，是在一定的條件下，通過原子或分子的成核、生長(zhǎng)或化合凝聚成具有一定形狀和尺寸的粒子。物理方法又叫粉碎法，或者機(jī)械法。 就禁帶寬度而言， ZnO是一種適合的可以 替代 TiO2 的光催化劑，并且 ZnO廉價(jià)、無毒、對(duì)環(huán)境中多種難降解的有機(jī)污染物都有很好的光催化去除效果。 2） 持效久，耐洗滌沖刷，還耐光，耐熱。當(dāng)納米 ZnO粉體作為光催化劑時(shí)可使污水中的 Cr6+還原成 Cr3+，從而形成 Cr(OH)3可用于污水處理，對(duì)環(huán)境污染治理有積極的作用。因此，納米 ZnO催化劑的活 性和選擇性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其傳統(tǒng)催化劑，催化速度是普通 ZnO的 100—1000倍，這大大增加了 ZnO吸附污染物的能力。納米 ZnO由于比表面積大、尺寸小，顆粒內(nèi)部與表面鍵態(tài)的不同。 大多數(shù)抗菌物質(zhì)是有機(jī)物質(zhì)，它們廣泛用于洗滌劑、食品、化妝品中和紡織品。與此同時(shí)，在整個(gè)紫外光區(qū)（ 200—400nm），納米 ZnO對(duì)光的吸收能力比 TiO2強(qiáng)。應(yīng)用納米 ZnO的優(yōu)點(diǎn)有 : 1） 防止老化 2） 抗摩擦著火 3） 使用壽命長(zhǎng) 4） 耐磨性強(qiáng) （ 2）納米 ZnO的抗菌性 納米 ZnO在紫外線照射下，能與大多數(shù)有機(jī)物（包括細(xì)菌）發(fā)生氧化反應(yīng)，具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，從而殺死大多數(shù)病毒和病菌。納米氧化鋅可用于制造高速耐磨的橡膠 制品，如飛機(jī)輪胎、轎車用的子午線胎等。以至于活性 ZnO的用量較 ZnO的降至原用量的 1/2到 1/3，并且性能較普通的 ZnO優(yōu)良，而納米 ZnO的比表面積大于50m2/g，相對(duì)于活性 ZnO更強(qiáng)，取代普通 ZnO，其用量只有 1/20左右。目前，普通的 ZnO已經(jīng)逐漸被納米ZnO所代替。 納米 ZnO 的主要用途 (1) 橡膠工業(yè) 納米 ZnO的最廣泛的用處之 一就是橡膠工業(yè)。經(jīng)過調(diào)查，市場(chǎng)納米 ZnO的需求量很大，我國(guó)已能獨(dú)立生產(chǎn)。 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 3 頁 共 23 頁 （ 6）紡織工業(yè)和日化工業(yè) 粒徑小于 40nm的納米 ZnO對(duì)紫外線具有優(yōu)異的遮蔽效果。還有就是它也可以用于制造眼鏡片。因此家用玻璃，汽車玻璃以及建筑用的玻璃對(duì)此確是不能缺少的。 （ 4）玻璃工業(yè) 普通 ZnO同樣有著吸收紫外線的功能，但是卻不能透過可見光，所以不能用于玻璃工業(yè)。 （ 3）陶瓷工業(yè) 納米氧化鋅的比表面積大，體積小，粒度較均勻，在陶瓷業(yè)可以直接利用， 陶瓷工業(yè)在 ZnO作為白色顏料方面使用的比較廣泛，將納米 ZnO添加到陶瓷中，不僅可以使陶瓷制品燒結(jié)溫度降低 400℃ 到 600℃ ，而且燒成品出現(xiàn)了 “鏡面效應(yīng) ”，是陶瓷表面更加光滑如 鮮，頗有觀賞性。由此可見其殺菌的效果。此外對(duì) UVA和 UVB均有良好的屏蔽作用，納米 ZnO吸收紫外線的能力很強(qiáng)，同時(shí)還可以用于化妝品的防曬劑；也可以用于生產(chǎn)抗菌、抗紫外線、防臭的纖維。研究表明，如果使用納米 ZnO作為光催化 劑的話，那么反應(yīng)速率可以成百上千的提高并且不引起光的散射。根據(jù)光敏半導(dǎo)體催化理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米 ZnO半導(dǎo)體催化性能與其能級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于納米氧化鋅一系列的優(yōu)異性和十分誘人的應(yīng)用前景，因此研發(fā)納米氧化鋅已成為許多科技人員關(guān)注的焦點(diǎn) [21~27]。近年來發(fā)現(xiàn)它在磁學(xué)、催化、力學(xué)、光學(xué)、等方面展現(xiàn)出許多特殊功能，使其在生物、化工、電子、光學(xué)、陶瓷、醫(yī)藥等許多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，具有 ZnO 所無法比較的特 殊性和用途。 表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)，如非遷移性、吸收、熒光性、散射紫外線能力和壓電性等，通過應(yīng)用它在光、電、磁 等方面的性能，可制造紫外線遮蔽材料、變阻器、高效催化劑、氣體傳感器、塑料薄膜、熒光體、壓電材料、壓敏電阻、圖像記錄材料、和磁性材料等 [29~30]。因?yàn)樗奶厥獾某叽缬辛颂厥獾墓δ?。納米材料的研究領(lǐng)域從原子團(tuán)到大塊材料，包括生物材料、無機(jī)材料、有機(jī)材料、以及金屬材料等。 當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在 1—100nm這個(gè)范圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。它是一個(gè)覆蓋面特別廣，學(xué)科多樣性的交叉的科學(xué)性研究方向和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。 這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料 。 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 I 頁 共 II頁 納米 ZnO 的制備方法 目錄 1 緒論 ...................................................................................................................................... 1 納米 ZnO 的概述 ................................................................................................................ 1 納米 ZnO.......................................................................................................................... 1 納米 ZnO 功能 ................................................................................................................. 1 納米 ZnO 的主要用途 ...................