《2水热法制备纳米SnO2》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2水热法制备纳米SnO2(2页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、实实 验验 报报 告告课程名称: 综合化学实验 实验内容:水热法制备纳米 SnO2 (1) 姓 名:蔡 宸 班 号: 07320701 学 号: 20071945 实验日期: 2009-11-30 【实验目的实验目的】 1.了解水热法制备纳米材料的原理方法和特点 2.学会制备纳米 SnO2微粉的一种方法 3.学会不锈钢压力釜的使用 4.了解水热法制备纳米微粉产物的表征方法 【实验原理实验原理】 SnO2是一种半导体氧化物,它在传感器、催化剂和透明导电薄膜等方面具有广泛用途。 纳米 SnO2具有很大的比表面积,是一种很好的气敏与湿敏材料。制备超细 SnO2微粉的方 法很多,有 SolGel 法、
2、化学沉淀法、激光分解法、水热法等。水热法制备纳米氧化物微 粉有许多优点,如产物直接为晶态,无需经过焙烧晶化过程,因而可以减少用其他方法难 以避免的颗粒团聚,同时粒度比较均匀,形态比较规则。因此,水热法是制备纳米氧化物 微粉的好方法之一。 水热法是指在温度超过 100和相应压力(高于常压)条件下利用水溶液(广义地说,溶 剂介质不一定是水)中物质问的化学反应合成化合物的方法。 在水热条件(相对高的温度和压力)下,水的反应活性提高,其蒸汽压上升、离子积增 大,而密度、表面张力及粘度下降。体系的氧化还原电势发生变化,总之,物质在水热 条件下的热力学性质均不同于常态,为合成某些特定化合物提供了可能。水热
3、合成方法的 主要特点有:(1)水热条件下,由于反应物和溶剂活性的提高,有利于某些特殊中间态及特 殊物相的形成,因此可能合成具有某些特殊结构的新化合物;(2)水热条件下有利于某些晶 体的生长,获得纯度高、取向规则、形态完美、非平衡态缺陷尽可能少的晶体材料;(3)产 物粒度较易于控制,分布集中,采用适当措施可尽量减少团聚;(4)通过改变水热反应条件, 可能形成具有不同晶体结构和结晶形态的产物,也有利于低价、中间价态与特殊价态化合 物的生成。基于以上特点,水热合成在材料领域已有广泛应用。水热合成化学也日益受到 化学与材料科学界的重视。本实验设计以水热法制备纳米 SnO2微粉,从而掌握水热反应的 基本
4、原理,研究不同水热反应条件对产物微晶形成、品粒大小及形态的影响。 本实验反应条件的选择包括反应物浓度、温度、反应介质的 pH 及反应时间,这些均 对产物的物相、形态、粒子尺寸及其分布和产率有重要影响。 水热法反应制备纳晶米 SnO2的反应机理: 第一步是 SnCl4水解:SnCl4+ 4H2OSn(OH)44HCl+形成无定形的 Sn(OH)4沉淀,接着发生 Sn(OH)4的脱水缩合和晶化作用,形成 SnO2纳米微 晶。nSnO2nSn(OH)42nH2O+(1)反应温度。反应温度低时,SnCl4水解,脱水缩合和晶化速度慢。升高温度将有 利于 SnCl4水解和 Sn(OH)4脱水缩合,产率也会
5、随之增加。但同时,温度升高使产物的重结 晶作用增强,导致 SnO2微晶长大,结构更加完整。本实验反应温度选择 120-160。(2)反应介质酸度。反应介质酸度较高时,对 SnCl4的水解有抑制作用,使中间产物 Sn(OH)4生成相对较少,脱水缩合后,系统中 SnO2晶核数量相对也较少,大量 Sn4+离子残 留在反应液中。这样有利于 SnO2微晶的生长,但也容易造成粒子间的聚结,导致产生硬团 聚。这是制备纳米粒子时应尽量避免的。 当反应介质的酸度降低时,完全水解,大量很小的 Sn(OH)4质点同时形成。在水热条 件下,它们之间发生脱水缩合,形成大量 SnO2纳米微晶。此时,由于溶液中残留的 Sn
6、4+离 子数量已经很少,形成的微晶较难继续生长。因此,产物具有较小的平均颗粒尺寸,粒子 间的硬团聚现象也相应减少。本实验反应介质的酸度控制为 pH=1.45. (3)反应物浓度。SnCl4浓度增大伴随着系统反应介质中酸度增加,Sn4+的水解受到抑 制,产物 SnO2的产率降低。当 pH=1.45 时,反应物的黏度较大,因此反应物的浓度不宜过大,否则会使搅拌困难。 一般,SnCl4的浓度以 1mol/dm3为宜。总之,反应温度和反应介质酸度是影响 SnO2纳米微晶形成和颗粒尺寸的主要因素 【所需仪器与试剂所需仪器与试剂】 仪器:100ml 不锈钢压力釜(聚四氟乙烯衬里) ;电动搅拌器;酸度计;抽
7、滤装置;多晶 X 射线衍射装置(XRD) ;透射电子显微镜(TEM) ;比表面积测定仪(BET) ;台式烘箱;烧杯 (150mL,100mL) ;电子天平;致密细孔滤纸。 试剂:SnCl45H2O(AR);KOH(AR);乙酸(AR);乙酸铵(AR);95%乙醇(AR);AgNO3(0.1mol/dm3) 【实验内容实验内容】1.反应液的配制 用去离子水配制 1.0mol/dm3 的 SnCl4溶液和 10 mol/dm3 的 KOH 溶液 每次取 25mL 的 1.0mol/dm3 的 SnCl4溶液于 100mL 烧杯中,在电动搅拌下逐滴加入 10 mol/dm3 的 KOH 溶液,调节反
8、应液的 pH 至 1.45,配制好的反应液待用。观察反应液随 pH 变化的状态,记录现象。记录现象。 记录:在少量液体加入后,溶液开始变浑浊,开始阶段由于体系内的产物还不多,可以很 清晰的看到颗粒的存在。在开始试验后的很长一段时间pH变化极为缓慢,以后变化逐渐 加快。随着KOH的加入量增多,液体也变得愈发不透明,呈乳白色,搅拌也随着产物的生 成量增加变得愈发的困难。在滴最后一滴之前pH还在1.32,滴入一地后迅速变为1.46.2.水热反应 将配制好的反应液倾入具有聚四氟乙烯衬里的不锈钢压力釜内,用装有控温装置的态势烘 箱加热,使水热反应在 120-160反应 1-2h。反应结束,停止加热,待压
9、力釜冷却至室温, 开启压力釜,取出反应产物。 (140,1.5h 即可)即可)3.反应产物的处理 产物静置沉淀后,吸去上层清液,用精致细孔滤纸抽滤。再用约 100mL10%的乙酸加入 1g 乙酸铵的缓冲溶液洗涤沉淀 4-5 次,洗去产物中的 Cl-和 K+,最后用 95%的乙醇洗涤 2 次, 于 80干燥,然后研细。 记录:在减压抽率过程中一般应用两层滤纸,但本实验产物为纳米材料,产物在抽滤过程 中会由于外界作用力而形成层状结构。在实验过程中实际起抽滤作用的并不是滤纸,而是 漏斗底下致密的产物层,因此抽滤速度也很慢。故滤纸只需要一张即可。多铺滤纸会进一 步降低抽滤速度,延长实验周期并增加一些变数。 【思考题思考题】 1.水热法作为一种非常规无机合成方法具有哪些优点? 答:水热法生产的特点是粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控制,生产成本低。用水热法 制备的粉体一般无需烧结,这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大而且杂质容易混入等缺点。2.水热法制备纳米氧化物过程中,哪些因素影响产物的粒子大小及其分布? 答:影响产物粒子大小及其分布的因素有温度的高低、升温速度、搅拌速度以及反应时间 等。