实验一 纳米材料的合成与表征.doc

纳米材料的合成与表征
姓名：吴丽萍 学号：2120121554 同组人：席亚茹 日期：2013.1.2
一、实验目的
1、学习纳米材料制备和表征的基本方法。
2、通过实验掌握固相法制备纳米粒子的基本原理和具体操作。
3、了解用XRD对纳米粒子进行表征的方法，学会分析XRD谱图。
二、实验原理
纳米材料以其不同于一般材料的物理化学性质而受到广泛的关注，相关研究非常活跃。纳米材料是指由极细晶粒组成1纳米～100纳米范围之间的材料。由于它的尺寸已经接近原子簇和宏观物质的交接区域，故而具有表面效应，并产生奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性、电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大实现直接为人类按需求排布原子、制造出性能独特的产品的理想。从而使其在国防、电子、化工、冶金、航空、轻工、医药、生物、核技术等领域中具有重要的应用价值。
纳米材料的合成方法总体上可分为气相法、液相法和固相法。气相法还可以分为气体冷凝法、活性氢—熔融金属反应法、溅射法和化学气相沉积法等。液相反应也可以进一步分为溶胶—凝胶法、沉淀法、喷雾法、水热法等。固相法主要有机械研磨法。本实验即采用此法来制备纳米CuO。
在固相反应过程中，反应产物的形貌取决于反应过程中产物成核与生长的速率。当成核的速率大于生长的速率时，得到的产物是纳米粒子；反之，则得到块状材料。该反应的突出优点是：操作简单、转化率高、污染少、粒径分布窄并可调控。
纳米材料常见的表征手段如下：利用透射电子显微镜（TEM）可以观察到纳米离子的大小及形貌。粒子的比表面积可由BET法测得。利用X射线衍射（XRD）可检测产物的纯度还可以算出粒子的大小。
三、实验药品与仪器
药品：氯化铜固体、固体、蒸馏水、无水乙醇、溶液；
仪器：研钵、烧杯（若干）、量筒、玻璃棒、高速离心机、超声波清洗仪、烘箱、抽滤装置（布氏漏斗、抽滤瓶）、离心管两只。
四、实验步骤及现象
1. 取氯化铜17.0064 g（0.10 mol），在研钵中充分研细后加入氢氧化钠8.0000 g（0.20 mol）再充分的混合研细。待体系剧烈反应变黑后，继续研磨10 min。（研磨5 min后，由于体系温度升高和吸水的缘故，体系剧烈反应，固体由蓝色迅速变成黑色，同时放出大量的热量。继续研磨后，研钵内的物质完全变黑，形成泥状固体）
2. 将混合体系转移到离心管中，加入80 mL蒸馏水超声清洗。
3.接着在8000 r/min条件下离心8 min。倾去上层清液后再加入蒸馏水清洗，重复上述操作8次。（在向离心机中放置离心管的时候，各离心管液面要相平，并对称放置，防止离心机因不平衡而发生震动。每次离心完毕后，取离心管中的上层清液，用AgNO3溶液滴加，观察有无沉淀。实验中发现，第一到七次洗后都有白色沉淀，沉淀量逐渐减少。第八次洗后，无白色沉淀）
4．离心完毕后，再用40 mL无水乙醇超声清洗一遍。然后将得到的黑色固体转移到表面皿中，在85 ℃烘箱中干燥1 h。然后将得到的固体研细保存，用于XRD分析。
5. 测定所得纳米样品的XRD图谱，并进行物相分析。（根据谱图可以分析所得样品为何种物质，并且进一步求得其粒子半径。）
五、实验结果与数据处理
1、由上述步骤分析可得，我们用机械研磨法制备得到黑色CuO。
2、XRD表征
让值从20º扫描到20º，测定所得样品的XRD图谱，并进行物相分析。其XRD谱图如图1所示：

图1 纳米CuO的XRD图谱

通过与标准卡片JCPDS 80-1916（如图2）比较，得知制得的样品为单斜晶系的CuO。

图2 标准卡片JCPDS 80-1916

3．数据处理
由Scherrer（谢乐）公式 可计算得到纳米CuO的粒径。其中，所用XRD衍射仪的射线波长为 λ = 1.5406 Å。

表1 纳米CuO粒径结算结果
（hkl）
i
(rad)
Dhkl (Å)
(111)
38.773435
0.0197
73.7843
（020）
53.495743
0.0387
39.7652
（202）
58.297787
0.0499
31.4621

由计算结果可知，制备的CuO颗粒粒径约在10 nm内，符合预期要求。
4．实验总结
（1）研磨时一定要充分混合、研细，若很长时间混合物仍不变黑，可集中研磨某一部分；当部分混合物变黑时，会放出大量热，体系迅速反应，导致产物变黑。
（2）离心过程需要细心操作，否则所得的产品在此过程中会有较大损失。并且离心操作需要重复至少七次，至清洗液中检测无Cl-存在。
（3） XRD分析结果表明，所得到的物质就是CuO，通过计算可以看出，它们的粒径是纳米级的，表明这个实验成功。
六、思考题
1. 多晶衍射时能否用多种波长的多X射线？为什么？
答：不能。
因为多X射线又称连续射线，这种方法一般只在劳厄照相法中使用；其它方法中一般都采用单色的X射线作为光源。连续谱的存在只能造成不希望的背景，通常还需要用滤波片或晶体单色皿将其除去，所以一般不采用。

2. 固相反应不仅能够制备纳米氧化物、硫化物、复合氧化物等，还能够制备多种簇合物，特别是一些对溶剂发生副反应的化合物。它还广泛应用于一些有机反应。根据固相反应理论，试提出两个常见的化学反应改用固相反应的可能性。
答：（大于1250 ℃的条件下，加热48小时）
（大于1500 ℃）

3．固相化学反应为什么能生成纳米材料？
答：在固相反应过程中，反应产物的形貌取决于反应过程中产物成核与生长的速率。当成核的速率大于生长的速率时，得到的产物是纳米粒子；反之，则得到块状材料。

4．晶体尺寸的减小是否为导致衍射加宽的唯一因素？
答：不是。
晶格畸变和晶块细化均使倒易空间的选择反射区增大，从而导致衍射域加宽。实测中并不是单独存在，而是伴随有仪器宽度。
七、误差分析
1.离心过程中由于在离心机中没有放平衡，使得离心过程中离心管破裂，样品撒到外面，污染了产品，给结果造成影响。
2.洗涤充分洗涤样品，使得其中残留了很少量的Cl-1存在，影响产品的测量。
3．固相反应时，由于没有研磨均匀，产物中可能残留有未反应的反应物，影响产品的测量。