《上饶师院学报稿件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《上饶师院学报稿件（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、以锌粉为前驱物合成纯ZnO纳米粉体材料 吕英英，赖涛，姜成名，杜红梅，余乐书基金项目：上饶师范学院校级科研项目；国家自然科学基金(). 作者简介：吕英英(1979-), 女，江西都昌人，讲师，主要从事无机半导体材料的合成及相关性能研究。E-Mail: ；通讯作者：余乐书(1972-), 男，副教授，, Tel 0793-. 上饶师范学院 化学与化工学院，江西上饶 摘要：过去人们主要是以锌基化合物为前驱物，通过湿化学方法来大量合成纯氧化锌(ZnO)纳米粉体，这不仅使得制备成本加大，也会导致目标产物里面不可避免地含有杂质元素。在本研究中，我们以锌粉为前驱物，通过锌粉和水蒸汽在一定温度下直接反应，便
2、大量、低廉地制备得到氧化锌纳米粉体。以XRD、SEM、EDX和Uv-vis等对获得的样品进行表征，结果表明所制得的氧化锌粉体为六方相纳米结构，不含杂质元素，在紫外光照射下具有很强的吸光度。所以我们所制得的ZnO纳米粉体在环境治理方面具有广阔的应用前景。关键词：纳米结构材料；光催化剂；氧化锌；纳米粉体 Preparation of pure ZnO nanostructures by using metallic Zn powder as precursorYingying Lv, Tao Lai, Chengming Jiang, Hongmai Du, Leshu Yu*School of
3、Chemistry and Chemical Engineering, Shangrao Normal University, Shangrao, Jiangxi Abstract: In the past Zn-containing compounds are favorably used to fabricate ZnO nanopowder via wet chemical routes. However, the decomposition of Zn-containing compounds into ZnO led to not only complex reaction, inc
4、reasing preparation costs, but also possible contamination from the unexpected doping. The accidental doping into ZnO would disturb the essence of matrix and make its aimed property uncontrollable. In this work, metallic powder was tentatively used to prepare ZnO nanopowder via the reaction between
5、metallic Zn and water. In result, ZnO nanopowder has been obtained in low cost and large scale. The detailed characterizations including XRD, SEM, EDX and UV-vis diffuse reflection indicated that the obtained products are hexagonal phase, nanoscale, pure, and have strong absorbance under the UV irra
6、diation. The excellent performance of ZnO nanomaterials endows themselves potential in purifying waste water. Key words: Nanostructured material; Photocatalyst; Zinc oxide; Nanopowder 氨氧化催化剂往往亦可用作醛类氧化催化剂,其原因是由于这两类反应通过类似的历程,形成相同的氧化中间物之故。上列反应中以丙烯氨氧化合成丙烯腈最为重要,下面即以此反应为例进行讨论。引言随着全球经济和人口的快速增长，环境污染与破环已经成为全
7、球人们共同关注的中心热点问题。众所周知，从化工厂排放出的废水中含有大量的高毒性、致癌性、难降解性的有机污染物1。因此，如何去降解这些有害物质越来越成为人们不得不去面对的现实。毋庸置疑，利用太阳光去处理此类废水是一个最佳的选择。因为太阳光是不竭的免费能源。但是，在长时间太阳光的照射下，大多数有机高分子不能有效地被降解为无毒的小分子2-4。故发展能在太阳光下直接降解有机污染物的光催化剂就成为人们应对此问题的理想途径。自1972人们首次发现在紫外光照射下，氧化钛电极能使水快速分解以来，氧化钛就成为人们在用光催化降解处理有机污染废水中最为关注的物质5, 6。尤其是在最近20年，人们投入极大的精力去合成
8、和改进氧化钛，并在光催化降解有机物方面取得很大的进步。Degussa P25是目前唯一一个被最为广泛应用的商业氧化钛产品，甚至在世界各国的实验室都以之为比较光催化剂性能高低的参照物7。氧化锌与氧化钛具有相似的带隙，但人们对氧化锌在光催化降解有机分子方面的关注程度远远要低于氧化钛。然而氧化锌具有氧化钛所没有的很多优点，如它可吸收更宽波段的太阳光，且制备成本低廉，自身密度大而易沉降，便于回收利用8。气相合成对于在基片上微量沉积多种氧化锌纳米材料具有很大优势，但不适于规模化合成氧化锌纳米粉体材料9；相比较，湿化学路线以其操作简单、成本低廉、成品率高、可规模化生产等优点而受到人们的青睐10, 11。目
9、前，人们主要是以锌基化合物，如硝酸锌、有机锌，通过湿化学途径来合成氧化锌纳米粉体材料，但这不仅导致操作过程复杂、产物价格昂贵，而且容易给产物带来新的杂质，对氧化锌的本征性能造成不可避免的干扰，从而影响对它的光催化性能研究10-17。人们通过锌基化合物合成制得的氧化锌纳米材料，在室温下的光致发光表现各异，经紫外可见吸收测量计算得到的直接带隙也是各不相同，这些现象一般都被归结为氧空位或锌空位或材料的某一特殊形貌10-17。笔者所在课题组曾采用TiCl4为前驱物经醇解合成TiO2纳米粉体，虽经1000高温煅烧，最后的产物依然含有相当量的氯原子18。如果合成氧化锌材料的前驱物含有其它杂质元素，如氮、碳
10、、氯等，这些客体元素也将不可避免地污染目标产物。这些意想不到的掺杂将对产物性能造成影响从而干扰人们对其本征性能研究。金属锌粉是一种不含杂质元素的低廉的锌基前驱物，将是制备ZnO纳米粉体的优良原料。然而锌粉的熔点很低（420），在空气中加热锌粉，由于表面张力的存在，使得锌粉会收缩成大液滴；这时即使加热到700，最后也只能是得到大块状的锌锭，而非ZnO粉体19。在本工作中，我们以锌粉为锌源，以水蒸汽代替空气作为氧源，来合成氧化锌纳米粉体。由于反应过程简单，实验操作简便，所以这条路径将是理想的制备纯ZnO纳米粉体方法。1 实验部分 1.1原料及仪器锌粉（100 200目，纯度为99.9 ），蒸馏水；
11、称量瓶，内衬聚四氟乙烯胆的高压釜，烘箱。1.2 ZnO 纳米粉体制备制备装置如图1所示。称取5 g锌粉（青灰色），放入内衬聚四氟乙烯胆的高压釜中。同时在聚四氟乙烯内胆中放入盛有10 ml蒸馏水的称量瓶，并盖好称量瓶的盖子，以便在加热后里面的水能够缓慢蒸发出来。然后将高压反应釜放在烘箱中，于220反应10 h后，自然冷却至室温，在100烘干所得产物（灰白色），称重，以所用锌粉为基准，得到的产率为96.84；少量的损失来自遗留在内胆里面的产物难以回收。图1. 制备ZnO纳米粉体的装置示意图1.3 ZnO纳米粉体的表征所得产物由装备X射线能量散射仪(EDX, energy-dispersion sp
12、ectrometer of X-ray)的扫描电子显微镜(SEM, scanning electron microscopy, JEOL JSM-6300)以及透射电子显微镜(TEM，transmission electron microscopy, JEOL-JEM-1005)，X射线衍射仪(XRD, X-ray diffraction, Philips Xpert Pro diffractometer)和紫外可见光吸收(VARIAN Cary-5000 UV/Vis/NIR spectrophotometer)表征。 2、试验结果与分析2.1 ZnO纳米材料的扫描电镜图由于产物ZnO的导电
13、性不好，所以在粉体的表面喷金(10-20 nm的厚度)。由扫描电镜图（图2）可知，所制得的ZnO纳米粉体主要由几个微米级的大颗粒组成，其中大颗粒又含有无数小的纳米粒子组成，纳米粒子的粒径为100 nm左右；纳米粒子之间具有明显的空隙。这是因为在反应过程中，锌粉与水发生置换反应，释放出大量H2 。由于氢气的释放，会导致生成的ZnO纳米材料与大颗粒金属锌本体发生剥离，从而使得ZnO纳米粉体的粒径相对于锌粉粒径要小得多。X射线能量散射谱表明所得产物只含有Zn和O元素，且原子比接近1:1。制备化学反应方程式如下所示：bcaAuZn + H2O H2+ ZnO图2为ZnO纳米材料的扫描电镜图(a, b)
14、和能量散射分析图谱(c)。把少许产物粉体分散在无水酒精中，超声15 min，然后滴加一滴到微栅铜网上，再放到透射电镜里面观察，所得结果如图2所示。从中可知，在超声作用下，微米级的大颗粒ZnO在酒精中分散成一个个纳米级小粒子，且具有典型的六边形片状，边长在20-100 nm左右。透射电镜图片里面，产物有明显的水波纹(ripple-like contrast)，说明产物粒子内部存在很大的应力20。透射电镜所属的能量散射分析仪测试结果也表明产物含有Zn和O元素，原子比例也接近1 : 1。Cu元素来自铜网。电子衍射图像为两套衍射斑点，这是由于电子束打在晶界面上21，同时也表明产物为六方相，且单个粒子为
15、单晶结构。Zn : O = 37.95 : 38.80acb图3为ZnO纳米材料的透射电镜图片(a)、能量散射图谱(b)和电子衍射图像(c)。2.2 ZnO纳米材料XRD图谱和紫外-可见吸收光谱图3(a) 为产物的XRD衍射图，由图可知反应所制得的产物为六方相ZnO；无其它杂质的衍射峰，说明产物只含ZnO，与扫描电镜和透射电镜所属的能量散射谱检测的结果一致。同时尖锐的衍射峰也说明产物的结晶度较好。图3（b）为产物的紫外-可见吸收光谱，在380 nm处有最大吸收，这是产物的本征吸收带。根据谱图中的吸光度曲线可以计算得到产物的吸收带为3.05 eV，与体相的ZnO带隙相比，产物的吸收带明显红移。此种现象难以从纳米材料的量子效应方面得到解释，应该归因于低温制备得到的产物中存在较大内应力19, 20。这和前面透射电镜图像观察到的结果一致。所以，该处制得的较好结晶度的产物将可以充分吸收利用太阳光里面的紫外线，亦将是快速、廉价地催化降解废水中的污染物的高效光催化剂。ab图3 ZnO纳米材料的XRD图谱(a)及其紫外-可见吸收光谱(b)3 结论以锌粉和水蒸汽分别为锌源、氧源，通过简单的置换反应，便大量低成本地制得纯ZnO纳米粉
