鉬酸鐵／氧化鉬異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)合成制備綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

朱春玲，劉巖峰

（哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

鉬酸鐵具有良好的催化特性，可以催化丙烯生產(chǎn)環(huán)氧丙烷［1］，另外，還可以用來(lái)制作氣敏傳感器檢測(cè)乙醇和硫化氫等［2］。鉬酸鐵在工業(yè)上一般采用共沉淀方法制備，制備條件對(duì)其催化等性能的影響較大［3－4］。納米材料具有較大的比表面積，因此有利于提高其物理化學(xué)性能，但是，納米材料一般團(tuán)聚現(xiàn)象較為明顯，會(huì)顯著影響其性能的穩(wěn)定性。如果將納米材料生長(zhǎng)在其他一維納米材料的表面，形成納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以有效地抑制其團(tuán)聚現(xiàn)象的產(chǎn)生［5－8］。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，尋找具有特定物理化學(xué)特性的一維納米材料作為支撐材料，發(fā)揮它們的共性，即協(xié)同效應(yīng)，可以進(jìn)一步提高納米催化劑的催化特性。本文將納米鉬酸鐵生長(zhǎng)在一維氧化鉬納米棒的表面，可以顯著提高它們的催化特性［2］。

為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)的能力，為今后的科研實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了本綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)既包括化學(xué)合成方法，如水熱法和溶劑熱法等，也包括材料的形貌結(jié)構(gòu)的表征手段，如晶格結(jié)構(gòu)的測(cè)試和形貌尺寸的表征等，因此，有助于提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ梢允箤W(xué)生學(xué)會(huì)統(tǒng)籌安排實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

鉬酸銨，硝酸鐵，硝酸，雙氧水，水浴裝置，機(jī)械攪拌器，離心機(jī)，X射線粉末衍射儀，掃描電子顯微鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中所使用的一維氧化鉬納米棒采用水熱方法制備，參見(jiàn)參考文獻(xiàn)［9—11］。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：將鉬酸銨在空氣氣氛下，500℃退火4h，得到氧化鉬粉末。稱(chēng)量7.5g氧化鉬粉末，加入50mL雙氧水，27mL濃硝酸，170mL蒸餾水，攪拌6h以上至形成透明黃色溶液，靜止4d以上。取35mL上述溶液，置于高壓釜內(nèi)膽內(nèi)，密封高壓釜，170℃反應(yīng)24h。待高壓釜冷卻到室溫后，將內(nèi)膽中的襯底用水清洗數(shù)次，干燥得到一維氧化鉬納米棒。

取0.075g克氧化鉬納米棒，將其分散到100mL水中，加入0.3g硝酸鐵，在機(jī)械攪拌下，水浴50℃反應(yīng)2h，然后離心分離沉淀。將所得到的沉淀，在空氣氣氛下，500℃退火4h，得到鉬酸鐵／氧化鉬一維異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 XRD和SEM測(cè)試結(jié)果

圖1為所獲得的鉬酸鐵／氧化鉬一維異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖譜。通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)（卡片號(hào)JCPDS 83－1701），圖中用 “＊”標(biāo)出的衍射峰均來(lái)自單斜鉬酸鐵晶體，而沒(méi)有標(biāo)出的衍射峰均來(lái)自斜方晶系的氧化鉬（卡片號(hào)JCPDS 35－0609）。因此，從X射線衍射分析結(jié)果可以看出，利用本方法可以獲得晶態(tài)的鉬酸鐵／氧化鉬一維異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。

圖1 鉬酸鐵／氧化鉬復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的XRD測(cè)試結(jié)果

利用掃描電鏡對(duì)鉬酸鐵／氧化鉬一維異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，如圖2所示。從圖中可以看出，鉬酸鐵納米顆粒均勻生長(zhǎng)在氧化鉬納米棒表面，其平均直徑約80nm。同時(shí)，一維氧化鉬的形貌保持的較好。

圖2 鉬酸鐵／氧化鉬復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖

2.2 硝酸鐵加入量的影響

首先研究了硝酸鐵加入量對(duì)產(chǎn)物的影響。將硝酸鐵的量進(jìn)行調(diào)整，加入量分別為0.1g和0.6g，獲得的產(chǎn)物利用掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。圖3（a）為0.1g硝酸鐵加入量獲得的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，鉬酸鐵納米顆粒不是很均勻地生長(zhǎng)在一維氧化鉬納米棒表面上，且有的顆粒的直徑超過(guò)了200nm。圖3（b）為0.6g硝酸鐵加入量獲得的產(chǎn)物的掃描電鏡圖?？梢钥闯觯f酸鐵顆粒較均勻，但其生長(zhǎng)的密度較大。研究表明，較大的顆粒尺寸和較大生長(zhǎng)密度對(duì)鉬酸鐵的催化性能均會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響［2］。因此，硝酸鐵的加入量控制在0.3g獲得的產(chǎn)物較好。

圖3 不同硝酸鐵加入量對(duì)鉬酸鐵納米顆粒的影響

2.3 反應(yīng)時(shí)間的影響

反應(yīng)時(shí)間是制備產(chǎn)物的重要因素，反應(yīng)時(shí)間如過(guò)長(zhǎng)降低生產(chǎn)效率。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變反應(yīng)時(shí)間來(lái)尋找合適的參量是必要的。圖4（a）為反應(yīng)時(shí)間為1h獲得的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，一維氧化鉬納米棒表面生長(zhǎng)的鉬酸鐵顆粒較少，顆粒尺寸約50nm，見(jiàn)圖4（a）中的插圖。但是，如果增加反應(yīng)時(shí)間，一維氧化鉬納米棒的形貌會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，且鉬酸鐵的顆粒也不均勻，見(jiàn)圖4（b）及其插圖。因此，可以看出反應(yīng)時(shí)間控制在2h獲得的產(chǎn)物較好。

圖4 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)鉬酸鐵納米顆粒的影響

2.4 反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度對(duì)化學(xué)合成樣品的形貌和物理化學(xué)特性也具有重要的影響［11－12］，因此，改變反應(yīng)溫度研究產(chǎn)物形貌等的變化。圖5（a）為反應(yīng)溫度為40℃獲得的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，一維氧化鉬納米棒形貌保持的較好。同時(shí)，氧化鉬納米棒表面生長(zhǎng)的鉬酸鐵顆粒較均勻，顆粒尺寸小于50nm，見(jiàn)圖5（a）中的插圖。但是，根據(jù)能譜分析結(jié)果可知，相對(duì)于50℃獲得的樣品相比，鉬酸鐵的含量較少（見(jiàn)表1）。如果反應(yīng)溫度增加，鉬酸鐵的含量會(huì)顯著增加（見(jiàn)表1），但是，一維氧化鉬納米棒的形貌會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致部分鉬酸鐵的顆粒脫離氧化鉬表面，如圖5（b）所示。因此，可以看出反應(yīng)溫度控制在50℃將會(huì)獲得較佳的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖5 不同溫度加入量對(duì)鉬酸鐵納米顆粒的影響

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1），可以得出制備鉬酸鐵／氧化鉬一維異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的最佳實(shí)驗(yàn)條件：反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間2h，硝酸鐵加入量0.3g。

表1 不同反應(yīng)時(shí)間獲得的鉬酸鐵／氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)中鐵與鉬的原子含量比

3 結(jié)論

在本論文中，將科研成果轉(zhuǎn)化為學(xué)生可以實(shí)際操作的綜合性實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)既涉及到材料簡(jiǎn)單、容易操作的合成方法，又含有多種表征手段，既包含化學(xué)知識(shí)，又涉及到材料的相關(guān)內(nèi)容。通過(guò)本綜合實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)在一種材料上面通過(guò)簡(jiǎn)單的方法包覆上其他的物質(zhì)，并找到最佳的合成條件，為學(xué)生今后做科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，也可以提高學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。

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