纳米ZnO的制备研究

纳米ZnO的制备研究

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摘 要

本人《纳米材料》的作业论文题目为《纳米ZnO的制备研究》。纳米ZnO作为一种重要的宽带隙半导体，具有与材料明显不同的电、磁、光等性质，逐渐成为研究的热点并得到广泛应用。纳米氧化锌是一种性能特异，可用于如压电传感器、压电式换能器、光子材料、光催化剂等多个领域的多功能超细材料，其研究制备受到世界各国的重视，我国也把纳米氧化锌的研制列入“863计划”重大课题。近年来，许多具有特殊形态和性质的ZnO纳米材料，例：纳米线、纳米带、纳米棒、纳米片等。

由于目前社会对纳米材料的研究越来越越广泛，加之纳米材料的种类繁多，不同状态下的制备均有报道，并且方法也越来越多、杂。因此本人根据国内学者的研究论述，决定对纳米ZnO比较简单的制备方法研究，做一定的简单总结。

关键词：纳米ZnO 制备研究

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北京化工大学北方学院课程（论文）

目 录

前 言............................................................................................. 1 第1章 气相沉积法 .......................................................................... 2 第1.1节 仪器和药品 ....................................................................... 2 第1.2节 主要步骤 ........................................................................... 2 第2章 直接沉淀法 .......................................................................... 3 第2.1节 仪器和药品 ....................................................................... 3 第2.2节 主要步骤 ........................................................................... 3 第2.3节 实验分析 ........................................................................... 3 第3章 反胶束微乳液法 .................................................................. 4 第3.1节 仪器和药品 ....................................................................... 4 第3.2节 主要步骤 ........................................................................... 4 第3.3节 实验分析 ........................................................................... 4 第4章 溶胶-凝胶法 ........................................................................ 5 第4.1节 仪器和药品 ....................................................................... 5 第4.2节 主要步骤 ........................................................................... 5 第4.3节 实验分析 ........................................................................... 5 第5章 微波均相沉淀法 .................................................................. 6 第5.1节 仪器和药品 ....................................................................... 6 第5.2节 主要步骤 ........................................................................... 6

II

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第5.3节 实验分析 ........................................................................... 6 第6章 超声化学法 .......................................................................... 7 第6.1节 仪器和药品 ....................................................................... 7 第6.2节 主要步骤 ........................................................................... 7 第6.3节 实验分析 ........................................................................... 7 第7章 燃烧法 ................................................................................. 8 第7.1节 仪器和药品 ....................................................................... 8 第7.2节 主要步骤 ........................................................................... 8 第7.3节 实验分析 ........................................................................... 8 第8章 水热法 ................................................................................. 9 第8.1节 仪器和药品 ....................................................................... 9 第8.2节 主要步骤 ........................................................................... 9 第8.3节 实验分析 ........................................................................... 9 结 论........................................................................................... 10 参考文献............................................................................................11

III

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前 言

由于粉体微结构、尺寸和形貌等因素对所制备材料的特性及其应用具有重要的影响，粉体颗粒的形貌控制研究备受关注。自从发现碳纳米管 以来，具有特殊物理化学特性的不同形貌的低维微纳米晶体得到了广泛研究。就ZnO而言，纳米ZnO有很强的自组织生长能力，在稳定的制备条件下，其分子间相互作用很明显，分子能严格按晶格排列外延生长，形成成分单一配比完整的结构。

近年来，伴随着着材料制备技术的不断发展和日趋完善，特别是分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等先进技术的出现，利用ZnO的自组织行为，许多具有特殊形态和性质的ZnO纳米材料(纳米线、纳米带、纳米棒、纳米片等)的制备的报道较多，我在此文中就简单的介绍下气相沉积法、直接沉淀法、微乳液法、水热法、超声化学法等最近比较常用制备方法。

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第1章 气相沉积法[1]

第1.1节 仪器和药品

1.1.1 主要药品

（1） 99.99% 氩气 （2） 氧气（高纯）（3） 国产分析纯试剂高纯锌粒20g (4）蒸馏水（二次蒸馏） （5）抽气机

1.1.2 主要仪器

管式石英炉

第1.2节 主要步骤

（1）首先，在石英舟中加入20g的高纯锌粒，放入水平放置的管式石英炉中，抽出反应炉内的空气；

（2）然后，均匀缓慢地充入Ar/O2混合气体。接通电源，加热升温到900℃，加热2min，炉口处出现大量白雾状烟雾；

（3）最后，等它冷却后成棉丝状粉体。

第1.3节 实验分析

如果只通入O2的话，所制得的ZnO纳米棒的直径不均匀，而通入Ar/O2混合气体则不会。温度低时，容易造成生成物不均匀，温度过高则升华速率过快，生长速度过快，从而使ZnO纳米棒变粗。

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第2章 直接沉淀法[2]

第2.1节 仪器和药品

2.2.1主要药品

（1）25.38g ZnSO4·7H2O （2）8.64g (NH)2CO3 （3） BaCl2·2H2O （4）氨水 （5） 无水乙醇 （6）EDTA均为(A.R) （7） 二次蒸馏水

2.2.2主要仪器

马弗炉

第2.2节 主要步骤

（1）首先，将25.38g的硫酸锌ZnSO4·7H2O和8.64g的碳酸铵(NH)2CO3分别溶解在100ml 的二次蒸馏水中，激烈搅拌下，将两个溶液缓慢混合，并超声波分散10min，在室温，陈化30min；

（2）然后经过抽滤，用稀氨水 洗涤至无S02(BaCl2检验)，无水乙醇脱水，4得到前驱物碱式碳酸锌，将前驱物在60-70℃恒温干燥；

（3）最后将其置于马弗炉中，在300℃分别煅烧1h、2h、3h，得到粒径不同的纳米ZnO粒子。

第2.3节 实验分析

本实验所采用直接沉淀法制得的纳米ZnO粒径较小，并此方法中选择焙烧温度为300℃是最合理的，与理论方法所计算的数值相接近。

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第3章 反胶束微乳液法[3]

第3.1节 仪器和药品

3.1.1主要药品

（1）煤油 （2）十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)工业品 （3）正辛醇 （4）氨水 （5）乙酸锌（6）丙酮 （7）无水乙醇

3.1.2主要仪器

（1）磁力搅拌器 （2）马弗炉

第3.2节 主要步骤

（1）首先，按一定配比将CTAB、煤油和正辛醇分别置于烧杯中，磁力搅拌至CTAB完全溶解；

（2）然后滴加一定量的乙酸锌水溶液，搅拌得透明微乳液A。用氨水代替乙酸锌，按上述方法制得微乳液B；

（3）再将A、B两种微乳液按一定的体积比混合，常温磁力搅拌，当体系由无色逐渐变成白色乳光体时，表明反应已经发生，继续搅拌30 min，将产物离心分离，沉淀物用丙酮和无水乙醇反复洗涤多次，得前驱体Zn(OH) ；

（4）最后将该前驱体在80℃下恒温干燥2 h，然后再置于马弗炉中，在400℃下焙烧2 h，即得ZnO纳米粒子。

第3.3节 实验分析

本实验产物ZnO粒子的粒径随微乳液溶水量的增大而增大，随表面活性剂浓度的增大而减小；当水与表面活性剂的摩尔比R≤30时，产物粒子均处于纳米级。该反应纯度较高，为98.4%。

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第4章 溶胶-凝胶法[4]

第4.1节 仪器和药品

4.1.1主要药品

（1）Zn(CH3COO)2·2H2O （2）乙二醇甲醚 （3）乙醇胺

4.1.2仪器

（1）湿温箱 （2）气氛炉 （3）马弗炉

第4.2节 主要步骤

（1）首先以Zn(CH3COO)2·2H2O作为原料，乙二醇甲醚为溶剂，配制成0.35 mol/L的溶液；

（2）之后滴入与Zn2等摩尔量的乙醇胺作为稳定剂，并将所配制的溶液进行45℃水浴恒温搅拌4 h；

（3）然后将其放入60℃的湿温箱中静置，约48h后形成粘稠的棕黄色湿凝胶；

（4）再将棕黄色湿凝胶放人马弗炉中进行前期热处理，在300℃下保温2 h； （5）再将其置于气氛炉中煅烧2 h，按H2：N2=1：20的流量比例通入H2/N2 气体，升温速率为2℃/min；

（6）最后，将产物研磨成粉末并收集。

第4.3节 实验分析

采用溶胶-凝胶法制备了纳米ZnO粉体，平均晶粒度和平均颗粒度随煅烧温度的升高而增大。所制备样品具有较大的电磁损耗特性，煅烧温度为700℃时所制备纳米ZnO粉体的介电损耗最大，约为0.2，而600℃时磁损耗最大，约为0.15，都具有一定的微波吸收能力。

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第5章 微波均相沉淀法[5]

第5.1节 仪器和药品

5.1.1主要药品

（1）硫酸锌 （2）尿素 （3）氨水 （4）无水乙醇

5.1.2主要仪器

（1）微波反应器 （2）抽滤机 （3）马弗炉

第5.2节 主要步骤

（1）首先，称取适量的硫酸锌和尿素分别溶于一定量的蒸馏水中，将其倒入三颈烧瓶中充分混合均匀，放入微波反应器中，接温度计和冷凝管，在不断搅拌下逐渐升温（随着尿素的分解，溶液出现浑浊，直至出现大量白色沉淀）；

（2）在一定微波辐射下反应一定时间后，停止；

（3）将三颈烧瓶取出放入冷水中冷却至室温，然后抽滤，用pH为9的氨水和无水乙醇分别润洗、抽滤，再经真空干燥24 h；

（4）然后取出粉末研磨后，把它放入马弗炉中，在450℃下灼烧2 h； （5）最后，将其从马费炉中取出，研磨后即得纳米ZnO。

第5.3节 实验分析

纳米颗粒粒径是由微波的非热效应决定的。在微波炉内存在着一个交变电磁

2场，在电场力作用下，CO3会沿着电场方向排列，使晶粒优先沿电场方向生长，

可得到形状规则的长条形纳米ZnO，且随着尿素浓度的增加，长度也明显增加。该方法清洁、高效率、耗能较低，并且污染较小，所合成的纳米材料纯度高、粒径小、分布均匀。

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第6章 超声化学法[6]

第6.1节 仪器和药品

6.1.1主要药品

（1）Zn (CH3COO)2·2H2O （2）异丙醇 （3）NH3·H2O

6.1.2主要仪器

超声细胞粉碎机

第6.2节 主要步骤

（1）首先，称取55 mg Zn (CH3COO)2·2H2O，将其溶于30mL水和5 mL异丙醇(作产物分散剂)中；

（2）待溶解完全后,加水至50 mL，再向溶液中滴入适量的NH3·H2O，使溶液的pH 到达一定值，然后将溶液转入100 mL 大试管中，敞口；

（3）然后使用超声细胞粉碎机在空气中800 W超声辐照一定时间； （4）反应结束后，所得沉淀经离心、洗涤、干燥，得到白色粉末。

第6.3节 实验分析

本实验是在不同条件下，通过声化学途径制备具有不同形貌的一维ZnO纳米粒子，本方法不需使用任何的模板和表面活性剂, 只需15min左右就可获得良好结晶的一维ZnO纳米粒子。

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第7章 燃烧法[7]

第7.1节 仪器和药品

7.1.1主要药品

（1）Zn(NO3)2·6H2O （2）燃料(甘氨酸或者柠檬酸)

7.1.2主要仪器

（1）电炉 （2）马弗炉

第7.2节 主要步骤

（1）首先，分别称取适量Zn(NO3)2·6H2O和燃料(甘氨酸或者柠檬酸)，依据不同的配比，放人蒸发皿中充分研磨，很快得到混合均匀的浆料状混合物；

（2）之后将浆料物用适量去离子水溶解，在电炉上加热浓缩，置于一定温度的马弗炉中点火反应，得到泡沫状ZnO粉末；

（3）然后，在650℃的马弗炉中热处理一定时间； （4）最后，将所得产品在玛瑙研钵中研磨，干燥保存。

第7.3节 实验分析

本实验采用燃烧简单、快速的制备纳米ZnO。以柠檬酸为燃料剂制备的ZnO样品粒径约为35nm，比以甘氨酸为燃料剂制备粒径约为l00nm的ZnO要小。并且以柠檬酸为燃料制备的ZnO对甲基橙的降解效果优于以甘氨酸为燃料制备的ZnO以及P-25。

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第8章 水热法[8]

第8.1节 仪器和药品

8.1.1主要药品

（1）聚乙烯醇 （2）Zn(acac)2·H2O （3）聚四氟乙烯

8.1.2主要仪器

（1）高压釜 （2）恒温烘箱 （3）高速离心机 （4）恒温炉

第8.2节 主要步骤

（1）首先，称取0.3 g聚乙烯醇和0.2 g Zn(acac)2·H2O于25 mL聚四氟乙烯高压釜内胆中，加人20 mL蒸馏水并混合均匀，并将高压釜密闭，放入恒温烘箱中调整温度并设置保温时间；

（2）等到保温结束后取出产物，使高压釜自然冷却到室温；

（3）然后，用高速离心机对高压釜中混合物进行高速离心并移除上清液，离心所得沉淀物反复水洗直至上清液澄清；

（4）最后，将清洗后的产物放人恒温炉中烘干(50℃)，即得所需的产物，将其保存。

第8.3节 实验分析

本实验采用水热法制备了纳米ZnO，该反应较之前几个反应，步骤较繁琐，还没有较准确的实验数据表明实验的效率和所制得的纳米ZnO的纯度。

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结 论

纳米ZnO作为宽带隙半导体材料，以其优异的性能在军事、工业生活等很多领域都起到了非常重要的作用，并且现在ZnO的制备及惨杂其他其他物质的物质的性能已经取得了一定的突破，在国内形成了几家产业化生产厂家。但是纳米氧化锌的表面改性技术及应用技术尚未完全成熟，其应用领域的开拓受到了较大的限制，并制约了该产业的形成与发展。虽然我们近年来在纳米氧化锌的应用方面取得了很大的进展，但与发达国家的应用水平以及纳米氧化锌的潜在应用前景相比，还有许多工作要做。

目前，我国及外国对纳米ZnO的研究都将侧重于以下两个方面：(1)开发合成方法越来越简单，并且易于工业化的纳米ZnO的制备技术；(2)纳米ZnO参杂其他物质后材料的性能的研究。

通过本人对一些论文及专利文献，窃以为化学沉淀法和固相反应法制备纳米ZnO较好，其过程条件温和，操作简单，易于控制，并且反应设备廉价易得，不用购买精密贵重仪器。

以上便是本人只对其较为新颖的合成方法做了一定的统计，由于水平有限，其中的错误望大家能批评，并且我也会进行改正。

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参考文献

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[3]周富荣，郭晓洁，匡亚琴. 反胶束微乳液法制备纳米ZnO[J]. 应用化工，2005，11(11):690 [4]闫军锋，张志勇，游天桂，张龙，田江晓. 纳米ZnO粉体的制备及其电磁性能[J]. 西北大学学报，2010，10(5):789

[5]钱珮珮. 微波均相沉淀法制备纳米氧化锌的研究[J]. 河北化工，2010，5(5):32

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