综合化学实验》实验报告一维纳米氧化锌制备学院姓名学号同组成员目录一.前言 1二.实验部分 12.1 试剂 12.2 仪器 12.3 实验步骤 22.4 结果讨论 22.4.1 环境扫描电子显微镜表征 22.4.2 X 射线衍射表征 32.4.3 讨论 3三.结论 4四.致谢 4参考文献 4.一. 前言纳米材料是材料科学与纳米科技的交叉部分，也是纳米科技中最基础、最活跃的组成部分 对未来经济和社会发展有着重要影响由于其明显不同于体材料和单个分子的独特性质，例 如小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应等，纳米材料在电子、太阳能、陶瓷、生物和医疗 等领域具有巨大的应用潜力随着人们对纳米材料所具有的特殊性质的不断认识和对纳米材 料应用方面的广泛研究，纳米材料与纳米结构的制备方面的研究也日趋深入20 世纪80年 代以来，零维（0D）纳米材料的合成与制备己经取得了很大的进展，但一维（1D）、准一维 （quasi-lD）及二维（2D）纳米材料及其相关结构的制备和研究仍面临着巨大挑战由于具有特 殊的光学、电学、磁学和机械性能，此类低维纳米材料将是纳米材料在微电子和纳电子方面 获得应用的关键，在今后相当长时期内将成为纳米材料研究的重点领域。
［1］氧化锌是一种新型的 II-VI 族直接带隙宽禁带半导体材料，纳米氧化锌具有纳米材料和优 异半导体材料两方面的独特性质［1］，在液晶显示器、太阳能电池、保护性涂层、气敏元件、 固体照明光源和紫外发光器件等领域表现出潜在应用前景最近几十年来，关于ZnO纳米 材料制备方面的研究取得了巨大的进步，但仍有很多问题需要解决目前，有效的控制ZnO 纳米材料的形貌和微结构并对其光学性能进行探讨是很多研究人员关注的热点无机粉体材料制备的一般方法有气相合成法、液相合成法以及固相合成法等，本实验采用 液相合成法［2］液相合成法又可以分为常规沉淀法、化学共溶剂法、水热合成法以及溶胶- 凝胶法等溶剂热法是将反应物按一定比例加入溶剂，然后放入高压反应釜中以相对和较低 温度反应实验证明使用不同溶剂可以得到不同形貌的产品由于其低能耗、团聚少、产物 形状可控等优点该方法的不足之处是产率较低、团聚少、产物形状可控等优点被广泛使用， 本实验便用该方法二. 实验部分2.1 试剂乙酸锌、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、水合肼、甲苯、二甲苯、去离子水2.2 仪器高压釜、离心机、超声仪、磁力搅拌器等表征设备：环境扫描电子显微镜（Quanta 250 FEG美国FEI公司）X射线衍射仪(Rigaku Dmax 2200,日本理学公司)。
2.3 实验步骤(1) 将一定量(约2g)的Zn(Ac)2粉体用不同溶剂(甲苯、对二甲苯)经超声分散、搅拌 等步骤配制成均匀分散的悬浮液(约30ml)2) 加入适量CTAB和水合肼的乙醇溶液配制成乳液，得到含Zn2+离子前驱体溶液(共计 约 40ml)本实验中我们选用25%vol水合肼和27mg/mlCTAB进行试验，分别用甲苯和二甲苯做溶 剂制备两组前驱体溶液，研究两种溶剂对一维氧化锌形貌的影响3) 把混合液转移到高压釜中，120°C反应2h,自然冷却至室温，离心分离，收集所得沉 淀，以去离子水洗涤几次，最后于60 C真空干燥，得到样品 4)利用 X 射线衍射研究产物形貌 (5)利用环境扫描电子显微镜观察形貌、尺寸等2.4 结果讨论2.4.1环境扫描电子显微镜表征用环境扫描电子显微镜对制得的样品进行表征，如下图所示图 1a 和 b 为甲苯溶剂下的一维氧化锌； c 和 d 为对二甲苯下的一维氧化锌；从图中可以看出，两种溶剂都得到一维棒状氧化锌晶体，棒状较均匀，但长度分布不均匀甲苯得到的一维氧化锌长度为2®m左右的居多，而对二甲苯得到的晶体长度约3.1ym的 居多，可见溶剂可以影响一维氧化锌晶体的形貌。
2.4.2 X 射线衍射表征甲苯 对二甲苯[1|Il J. . 1. jlJlA -亠L _Jl 」L J »10 20 30 40 50 60 70 802 (degress)图 2 甲苯和对二甲苯得到产物的 X 衍射谱图由图可见，甲苯和对二甲苯均能得到晶型较好的一维氧化锌，且两种溶剂下的谱图峰位置 几乎一样，说明该两种溶剂对一维纳米氧化锌晶体的影响程度不大2.4.3 讨论李汶军⑵等根据Rama光谱、IR光谱、X射线低角衍射对溶液中阳离子的存在形式进行 测试发现：在溶液中特别在晶体界面附近存在中心阳离子和OH-离子形成的络离子，提出了 在晶体的结晶过程中在溶液体系中的阳离子是以生长基元的形式在界面上进行叠合的，其中 生长基元是由中心阳离子和OH-离子形成的络合物，其配位数与所得到的晶体中阳离子的 配位数一致；锌、氧两种原子的配位数都是4,所以在氧化锌晶体中锌是以ZnO4配位四面 体的形式存在，其生长基元为络合物Zn(OH)42-在溶剂热合成反应中，ZnO的生长是通过 溶解- 醇解- 成核- 生长过程来完成，但碱式碳酸锌和氢氧化钠在乙醇中的溶解度小，在反 应初期部分离解成Zn2+和OH-，结合成Zn(OH)2胶体，进一步形成生长基元Zn(OH)42-， 然后通过生长基元之间的联结形成具有一定结构的ZnO晶核。
溶剂热合成反应中，常选乙醇为反应溶剂，其特点在于乙醇的介电常数、界面张力都非常 低，能有效的降低溶液的表面张力，降低生成ZnO纳米晶所需的能量，有效的影响了 ZnO 纳米晶成核和生长速率，使其瞬间生成较多的ZnO纳米晶核，降低生长基元浓度，进一步 控制了 ZnO纳米晶体沿C轴生长的速率，有利于粒径小的ZnO纳米粒的形成⑶在溶剂热合成反应中，常用表面活性剂作为稳定剂控制纳米粒子的生长或作为模板为反应 提供有效生长空间本实验溶剂中加入了 CTAB，是一种阳离子表面活性剂，易溶于乙醇， CTAB在乙醇溶剂中会离解形成带有疏水基的阳离子C19H42N+，可以通过静电和位阻效应 影响Zn4CO3(OH)6・H2O的溶解和ZnO的形成过程[4]在ZnO的成核初始阶段，这时CTAB 离解形成的C19H42N+和Zn (OH,?-通过静电引力形成离子对，C19H42N+起到运输生长基元 的作用，同时，C19H42N+也会吸附在ZnO纳米晶的晶面上，并形成有序的疏水膜当CTAB 的浓度较低时，少量C19H42N+吸附在ZnO纳米晶的晶面上，主要表现为运输生长基元的作 用由于c19h42n+可以运输生长基元，氧化锌晶体生长时就可以在生长基元浓度较低的条 件下按其生长习性继续长大，这有利于氧化锌沿一维方向生长。
所以当 CTAB 的加入量为 0.1M和0.2M时，获得产物为ZnO棒但是，CTAB的浓度较高时，C19H42N+形成的疏 水膜的存在控制了纳米棒的生长速率，限制了纳米棒长度CTAB 可以有效的控制氧化锌晶体形貌，但不利于制备高紫外吸收的氧化锌粉，随着 CTAB 的浓度升高，氧化锌在紫外区域的反射率逐渐增大，相应其紫外吸收能力降低三. 结论本小组采用液相合成法中的水热合成法，分别以甲苯和对二甲苯为溶剂制备合成了一维纳 米氧化锌晶体并利用环境扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪对制得的产物进行了一 系列表征通过分析发现溶剂的改变能够在一定程度上改变产物晶体形貌通过查找文献， 本小组也学习了解了水热合成法制备一维纳米氧化锌过程中各种因素对晶型的影响四. 致谢本实验的完成要万分感谢同组组员的辛勤劳动和刻苦钻研的精神，也多亏了本组组员之间 的明确分工和默契配合最后还要感谢助教老师的耐心指导和课代表的辛勤付出！ 参考文献[1] . 周斌. 一维氧化锌纳米材料的制备及其光学性能研究. 硕士, 山东大学, 2009.[2] . 李汶军; 施尔畏; 田明原; 王步国; 仲维卓, 水热法制备氧化锌纤维及纳米粉体 . 中国 科学E辑.•技术科学1998, 212-219.[3] . 向群; 潘庆谊; 徐甲强; 施利毅; 许鹏程; 刘荣利, 溶剂热制备氧化锌纳米线. 无机化学 学报 2007, 369-372.[4] .范学运；王艳香；余熙,CTAB辅助溶剂热合成氧化锌纳米粉.陶瓷学扌报2009, 322-326.。