氧化锌纳米粉体的低温化学法合成与性能研究.docx

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氧化锌纳米粉体的低温化学法合成与性能研究

氧化锌纳米粉体的低温化学法合成与性能研究

一实验目的

1、了解一些常规低温也想化学方法制备纳米材料的基本原理和方法。

2、学习差热、热重和X光射线叶舌等分析方法在无机合成中的应用。

3、了解纳米ZnO的发光性能，熟悉荧光仪的使用方法。

二实验原理

氧化锌（ZnO）是一种宽禁带直接迁移型半导体功能材料，单晶ZnO为六方晶体（纤锌矿）结构，室温下的禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60MeV。

该激子室温下不易被电离,使激发发射机制有效,这将大大降低ZnO在室温下的激射阈值，有可能实现较强的紫外受激辐射，可用来制作紫外光激光器和探测器。

另外，ZnO还被广泛地应用于制作发光显示器件、声表面波器件、压敏材料、气敏传感器、异质结的n极和磁性材料器件及透明导电膜等。

纳米级ZnO由于粒子尺寸小，比表面积大，具有表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等，与普通ZnO相比，表现出许多特殊的性质，如无毒、非迁移性、压电性、荧光性、吸收和散射紫外线的能力。

这一新的物质形态赋予了ZnO在科技领域许多新的用途。

ZnO的禁带宽度为3.2eV，它所对应的吸收波长为388nm，由于量子尺寸效应，粒度为10nm时，禁带宽度增加到4.5eV，因此它不仅能吸收紫外波长320—400nm，而且也对紫外中波280-320nm也有很强的吸收能力，因此它是一种很好的紫外屏蔽剂，可制得紫外光过滤器、化妆品防晒霜；纳米ZnO的比表面积大，表面活性中心多，在阳光、尤其在紫外线照射下，在水和空气中，能自行分解出自由移动的带负电荷的电子（e-），同时留下带正电荷的空穴（h+），这种空穴可以激活空气和水中的氧变为活性氧，它能与多种有机物（包括细菌）发生氧化反应，从而除去污染和杀死病毒。

因而可作为高效光催化剂，用于降解废水中的有机污染物，净化环境；纳米ZnO对外界环境十分敏感，从而成为非常有用的传感器材料，如用纳米ZnO制作气体报警器和吸湿离子传导温度计等；纳米ZnO对电磁波、可见光和红外线都具有吸收能力，用它作隐身材料，不仅能在很宽的频带范围内逃避雷达的侦察，而且能起到红外隐身作用。

同时，氧化锌是熔点为1975℃的氧化物，具有很高的热稳定性和化学稳定性，又由于它是无机物，具有无毒、无刺激、不变质而倍受青睐。

因而采用各种方法制备、开发和使用纳米ZnO已成为材料科技领域一大新的研究热点。

纳米结构ZnO半导体的发光来源于电子和空穴的激子辐射复合发光。

半导体纳米颗粒光泵浦激发后产生电子一空穴对（激子），电于与空穴复合可能的途径有：

导带电子与俘获的空穴复合；俘获的电子与价带的空穴复合。

这种直接复合产生檄子态发光。

由于纳米结构ZnO有宽的禁带隙（Eg＝3.37ev），大的比表面积，材料接口中的空穴浓度大，小尺寸效应导致电子的平均自由程局限在纳米空间，与激光波长相当，进而引起电子和空穴坡函数的重叠，易形成Wannier激子。

由于量子限域效应和电子与空穴之间的Coulomb作用，高浓度激子在能隙中靠近导带底形成檄子能级，见图1-2，激发能被在禁带中分立的中心吸收，产生激子发光。

可见，半导体纳米结构ZnO发光机制在于纳米结构材料内部的量子限域效应，即在纳米晶粒内部激发的光电子是通过晶粒边界深复合能级的激子复合发光，属于复合发光中心的发光材料。

发光中心是导带中的电子与价带中的空穴或禁带中的定域能级间的电子空穴复含，产生激子态发光。

纳米结构ZnO发光机制是通过量子限域-发光中心进行的。

纳米结构ZnO典型的发射光谱如图2-1所示：

图2-1纳米ZnO激子能级

图2-2纳米ZnO粉体材料的典型发射光谱

ZnO属于N型半导体，含有氧空位或锡间隙离子，气敏效应明显。

关于其气敏机理的理论模型有多种，一般认为其气敏机理是表面吸附控制型机制，即在洁净的空气（氧化性气氛）中加热到一定的温度时对氧进行表面吸附，在材料的晶界处形成势垒，该势垒能束缚电子在电场作用下的漂移运动，使之不易穿过势垒，从而引起材料电导降低；而在还原性被测气氛中吸附被测气体并与吸附氧交换位置或发生反应，使晶界处的吸附氧脱附，致使表面势垒降低，从而引起材料电导的增加，通过材料电导的变化来检测气体。

理论模型中的一种为：

Oo------Vo++e+1/2O2

（1）

Oo+------Vo2++e+1/2O2

（2）

ZnZn------ZnI2++2e（3）

氧化锌压敏陶瓷是近二十年来发展起来的新型电压敏感材料，利用ZnO晶粒和含有杂质偏析的晶界所构成的多晶界结构，产生优良的非线性电压电流特性（非欧姆特性）和吸收能量的能力，在电子线路和电力系统过电压保护中得到广泛的应用。

氧化锌压敏电阻器是一种伏安特性为非线性的元件，和其它非线性元件（如稳压二极管、整流管等）相比，具有电压范围宽（几伏到几十万伏、电压温度系数小、耐浪涌（超过正常工作电压的异常电压）能力强、寿命长、工艺简单、非线性系数大（非线性系数大于50）等优点，广泛用于电视机、程控电话、计算机、家用电器及自控设备中。

用氧化锌压敏陶瓷制作的避雷器，具有无间隙、

保护特性好、过电压能量的吸收能力大、结构简单和运行可靠等优点，已成为当今避雷器的主流。

图2-3是ZnO压敏电阻的非线性电流－电压曲线。

由该曲线，可以求得非线性系数：

α=lg（I1/I2）/lg（U1/U2）

图2-3ZnO压敏电阻的非线性电流-电压曲线

式中U1和U2分别为对应于电流为I1=0.1mA和I2=1mA时的电压。

它可用来表征压敏陶瓷的非线性电流—电压关系，表现该变阻器对电流变化的敏感程度。

变阻器的另一个技术指标为压敏电压U1,指电流为0.1mA时的电压。

氧化物纳米材料的制备方法有很多，有高温固相法、溶胶凝胶法、燃烧法、化学沉淀法、水热法等。

溶胶凝胶法是60年代发展起来的一种制备玻璃，陶瓷等无机材料的新工艺。

其基本原理是用金属醇盐水解直接形成溶胶或者经解凝形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。

由于该方法具有化学均匀性好、产品纯度高、颗粒细、烧结温度低和可容纳不溶性组分或不沉淀组分等优点，许多人用此法产生团聚块等缺点。

柠檬酸溶胶凝胶是以柠檬酸和无机金属盐做原料，所涉原料便宜，同时具有溶胶凝胶法的优点，因此它被广泛用来制备纳米材料。

燃烧法是以金属的硝酸盐和有机物为原料，利用硝酸和有机物之间的氧化还原反应热来合成金属氧化物的新方法。

与溶胶凝胶法相比，燃烧法具有反应时间短、所用试剂便宜、设备操作简单等优点。

人们用此方法成功合成了超导材料及钙钛矿半导体材料。

但溶胶凝胶法和燃烧法都涉及到有机物的燃烧，会产生大量污染环境的气体。

化学沉淀法是一种制备纳米材料的洁净的方法，其基本原理是一定条件下在包含一种或多种金属离子的可溶性溶液里加入沉淀剂，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即得到所需的氧化物粉体。

化学沉淀法又分为共沉淀法、均相沉淀法、金属醇盐水解法。

其中均相沉淀法是较常用的方法，它通常是以尿素的缓慢水解来生成沉淀剂氨水，从而克服了由外部向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂不均匀性，结果沉淀不能在整个溶液中均匀出现的缺点。

水热法是另一种制备纳米材料的洁净的方法。

它是在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液或有机溶剂作为反应体系，通过对反应体系加热至临界温度（或接近临界温度），在反应体系中产生高压的环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法。

水热与溶剂热合成化学具有如下的特点：

由于在水热与溶剂热条件下中间态、介稳态以及特殊相易于形成，因此能合成与开发一系列物种介稳结构、特种凝聚态的新合成产物；能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在水热和溶剂热低温条件下晶化生成；水热与溶剂热的低温、等压、溶液条件，有利于生长缺陷少、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度；由于易于调节水热与溶剂热条件下的环境气氛，因而有利于低价态、中间价态化合物的生成，并能均匀地进行掺杂。

自1982年以来，运用水热法制备超细粉末就引起了国内外的重视。

本实验以硝酸锌为原料，用不同方法合成为氧化锌，并对其结构、性能（荧光）进行表征。

三仪器与试剂

仪器：

光电分析天平，磁力加热搅拌器，台式烘箱，马弗炉，X射线衍射仪，热分析仪，荧光仪，烧杯，玻璃棒，量筒，干过，研磨，布氏漏斗，滤纸，高压反应釜等。

试剂：

硝酸锌（

Zn（NO3）2，AR），柠檬酸（

C6H8O7，AR），尿素（

AR）乙醇（

C2H6O2，AR）氨基乙酸，氨水，氢氧化钠（NaOH，AR），十六万机三甲基溴化铵（CTAB，AR）。

四实验内容和步骤

纳米氧化锌的制备

（1）柠檬酸络合法

①称取0.02mol

Zn（NO3）2于500mL烧杯中，加入20mL蒸馏水使溶解，在所得溶液中加入适量的柠檬酸（柠檬酸和金属例子的比例为1:

1，2:

1）；同时用磁力加热搅拌器加热搅拌，加热温度为80-100℃。

②待溶液变为浅黄色宁教室，将烧杯移入烘箱（

140-180℃）中发泡（形成疏松多空的絮状物），发泡后研磨。

③将粉末转入瓷坩埚中，置于马弗炉于

500℃烧结2小时，冷却后即得到氧化锌粉末。

取适量粉末进行荧光性能测试。

（2）均相沉淀法

①称取0.02mol

Zn（NO3）2

和一定量的尿素（尿素和金属离子的的摩尔比为5:

1）于250mL烧杯中，加入100mL蒸馏水使溶解。

②将250mL烧杯置水热恒温槽中，升温至

90℃后保温3小时，同时用恒速电动搅拌器搅拌。

取出烧瓶将沉淀抽滤，用蒸馏水洗涤，转于烘箱中于

85-95℃干燥。

③将粉末转入瓷坩埚中，置于马弗炉于500℃烧结2小时，冷却后即得到氧化锌粉末。

取适量粉末进行荧光性能测试。

（3）燃烧法

①称取0.02mol分析纯的

Zn（NO3）2和0.04mol分析纯的氨基乙酸，分别溶解于15mL蒸馏水中，接着将溶液在搅拌下慢慢加入到氨基乙酸溶液中，得到无色透明混合溶液。

加热浓缩得到溶液，使自由水分蒸干，形成无色透明的粘稠凝胶。

继续加热，体系开始出现零星的燃烧反应，随即蔓延至整个体系，燃烧反应在几秒内迅速完成，得到黑色疏松末产物。

②将产物置于瓷坩埚中，置于马弗炉于

500℃烧结2小时，冷却后即得到氧化锌粉末。

取适量粉末进行荧光性能测试。

（4）水热法

①称取0.02mol

Zn（NO3）2和0.005mol的CTAB、0.01mol的NaOH于3个50mL的烧杯中，分别用10mL的蒸馏水溶解（溶解CTAB的时候要加热）得到透明溶液。

②加热搅拌下将N阿OH溶液逐滴滴加到溶液中，之后将所得的白色乳状液逐滴加入到CTAB溶液中，继续搅拌10分钟，将所得到的混合溶液转入聚四氟乙烯内衬高压釜中，补充去离子水到高压釜容积的80%，充分搅拌。

封紧釜盖放入

190℃的鼓风干燥箱中反应3小时，取出釜自然冷却，将沉淀物抽滤，先用无水乙醇洗涤三次，再用蒸馏水洗涤5到10次，最后用无水乙醇洗涤三次，转于烘箱中于

85-95℃干燥，得到白色样品。

③将产物置于瓷坩埚中，置于马弗炉于

500℃烧结2小时，冷却后即得到氧化锌粉末。

取适量粉末进行荧光性能测试。

五实验结果

荧光分析技术数据：

InstrumentParameters

Measurementtype:

Wavelengthscan

Scanmode:

Emission

Datamode:

Fluorescence

EXWL:

254.0nm

EMStartWL:

350.0nm

EMEndWL:

600.0nm

Scanspeed:

1500nm/min

Delay:

0s

EX