多種形貌ZnO微晶的液相合成與表征
——介紹一個(gè)趣味性和易操作性相結(jié)合的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)

謝娟 邊麗 鄧娟 魏雨

(1河北工程大學(xué)理學(xué)院 河北邯鄲 056038； 2邯鄲市第四中學(xué) 河北邯鄲 056107；3河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 河北石家莊 050016)

實(shí)驗(yàn)課在化學(xué)教學(xué)中占有特殊的地位。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對(duì)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)已成為教育者普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，全面提高大學(xué)生綜合素質(zhì)更成為高等教育改革的一個(gè)重要目標(biāo)。綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)就是把基礎(chǔ)化學(xué)的理論知識(shí)和各種實(shí)驗(yàn)技能及方法加以歸納、分析、相互滲透的一種有效實(shí)驗(yàn)形式。與傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，它不僅改變了各基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)自成體系、相互脫節(jié)的傳統(tǒng)模式，還克服了各專門化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過細(xì)過窄的不足；可對(duì)發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，拓寬其知識(shí)面，培養(yǎng)他們的綜合實(shí)踐能力，特別是創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力起積極作用[1]。

目前，在一些大學(xué)開設(shè)的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，涉及微米/納米材料合成及表征的實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少。因此，筆者結(jié)合以往的科研工作，在以ZnCl2和NaOH作為主要原料，采用低溫陳化的簡(jiǎn)單裝置制備ZnO微晶，以及反應(yīng)條件變化會(huì)對(duì)ZnO顆粒形貌產(chǎn)生顯著影響等科研成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)[2-4]。通過本實(shí)驗(yàn),學(xué)生不僅可以了解微米/納米材料的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，還能掌握無機(jī)金屬氧化物微米/納米顆粒的常見合成方法和常用表征手段。此實(shí)驗(yàn)可以用作大學(xué)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 了解無機(jī)微米/納米材料的基本知識(shí)。

(2) 掌握液相法制備氧化鋅微晶的原理和方法。

(3) 了解微米/納米材料的常用表征手段，例如由X射線衍射圖譜、電子顯微鏡照片、紅外光譜和紫外-可見光譜了解物質(zhì)的某些結(jié)構(gòu)特征。

2 實(shí)驗(yàn)原理

利用X射線粉末衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜儀(IR)和紫外-可見光譜儀(UV-Vis)等對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征。

3 試劑儀器

(1) 試劑：氯化鋅(ZnCl2)，氫氧化鈉(NaOH)，十二烷基硫酸鈉(SDS)及乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA)，以上均為分析純；以鄰苯二甲酸氫鉀為工作基準(zhǔn)試劑；所有溶液均用蒸餾水配制。

(2) 儀器：恒溫槽，磁力攪拌器，水浴鍋，X射線粉末衍射儀，掃描電鏡，紅外光譜儀，紫外-可見光譜儀。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 儲(chǔ)備液配制及濃度標(biāo)定：配制1.0mol·L-1ZnCl2溶液，4.0mol·L-1NaOH溶液，0.2mol·L-1SDS溶液。用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定ZnCl2溶液的濃度，用基準(zhǔn)試劑鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)定NaOH溶液的濃度。

(3) 恒溫陳化相變：將包含著白色沉淀物的反應(yīng)前驅(qū)液轉(zhuǎn)移到帶有磨口塞的250mL錐形瓶中，置于85℃恒溫水浴鍋中陳化5h。

(4) 產(chǎn)物后處理：將產(chǎn)物取出后抽濾，用去離子水洗滌數(shù)次，直至溶液澄清無泡沫，濾餅在室溫下干燥，密封保存所得粉體。

(5) 取適量制備的產(chǎn)物，在X射線粉末衍射儀上測(cè)定產(chǎn)物的XRD圖譜。將所得圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照，對(duì)產(chǎn)物做物相鑒定。

(6) 對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行SEM表征，觀測(cè)產(chǎn)物的粒度和形貌。

(7) 取少量制備的產(chǎn)物與KBr混合，研碎后壓片，用紅外光譜儀測(cè)定樣品的IR光譜。

5 結(jié)果與討論

5.1 XRD表征

圖1 不同鋅堿比所得ZnO樣品的XRD圖譜

5.2 SEM表征

圖2 不同鋅堿比所得ZnO樣品的SEM照片(a) 4;(b) 5;(c) 6;(d) 7;(e) 8;(f) 9

n(ZnCl2):n(NaOH)SEM標(biāo)號(hào)粒度/μm直徑/nm長(zhǎng)度/μm長(zhǎng)徑比1:4a～1.1～200～0.421:5b～3.8～200～2.0101:8e～7.9～800～2.431:9f～11.7～1500～9.06

5.3 IR光譜表征

ZnO的IR分析見圖3。由圖3可知，3441.64cm-1處為氫鍵的O—H伸縮振動(dòng)吸收峰；1636.27cm-1處為自由水的H—O—H彎曲振動(dòng)峰，表明微米/納米ZnO容易吸水；517.15cm-1處為ZnO的特征吸收峰[8-9]。

5.4 UV-Vis光譜表征

圖3 產(chǎn)物的IR光譜

圖4 不同鋅堿比所得ZnO樣品的UV-Vis光譜

圖4顯示，ZnO微晶在300～400nm范圍內(nèi)有強(qiáng)吸收峰，這表明其紫外光吸收性能較強(qiáng)。隨著顆粒粒度減小，產(chǎn)物對(duì)紫外光的吸收強(qiáng)度雖有所降低，但吸收邊帶卻發(fā)生小幅紅移，漸入可見光區(qū)。由于光譜的吸收曲線描述了物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力，反映了物質(zhì)分子能級(jí)的變化，因此吸收曲線的形狀、最大吸收波長(zhǎng)的位置以及吸收強(qiáng)度等與分子的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。

6 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)ZnO微晶合成與表征實(shí)驗(yàn)。文中給出的僅是一種反應(yīng)條件的變化，可根據(jù)實(shí)際學(xué)時(shí)，讓學(xué)生自主改變其他反應(yīng)條件(如時(shí)間、溫度等)進(jìn)行探索，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、形貌及性能測(cè)試等部分的實(shí)驗(yàn)，可根據(jù)情況選做。

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