納米氧化鋅的合成及其表征

任加誠 李寧寧 馮燦燦 王靈鈺 周巖 趙洪晨 楊志廣

摘 要：本文以乙酸鋅和六亞甲基四胺為反應物，采用簡單水熱法制備出了納米氧化鋅（ZnO）光催化劑，通過XRD、FT-IR、SEM對其進行了結構表征。實驗結果表明，水熱法合成納米氧化鋅的最佳反應時間為6 h，最佳反應溫度為120 ℃，通過該方法合成的納米ZnO為六方晶系結構，同時對納米ZnO光催化材料未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞：納米氧化鋅；水熱法；合成；表征

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.196

0 引言

作為一種新的寬禁帶半導體材料，在室溫下ZnO具有較大的禁帶寬度，禁帶寬度為3.37 eV，具備較高的激子束縛能（60 meV），具有來源豐富、價格低廉、熱穩(wěn)定性高和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點[1]。納米ZnO因其體積很小（粒徑在1～100 nm）、比表面積大，所以具有表面效應、體積效應、量子尺寸效應等特點，比普通ZnO表現(xiàn)出更優(yōu)良的性質，如優(yōu)異的電、磁、光、力學和化學等宏觀特性，使其在污水處理、傳感器、在太陽能電池、光電材料等領域具有廣闊的應用前景[2-3]。目前，合成納米ZnO的方法有很多種，主要包括化學沉淀法，水熱合成法，溶膠-凝膠法，均勻沉淀法，固相合成法，微乳液法等，每種方法都具有各自的優(yōu)點和缺點[4]。本論文采用簡單水熱合成法制備了納米ZnO光催化材料，對其反應條件進行了深入探討并對其結構進行了表征，同時對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：高壓反應釜（上海禾汽玻璃儀器有限公司），85-2磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責任公司），DHJ-9070A型電熱恒溫干燥箱（杭州匯爾儀器設備有限公司），SC-04型低速離心機（安徽中科中佳科學儀器有限公司）。試劑：乙酸鋅（Zn（Ac）2·2H2O，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），六亞甲基四胺 （C6H16N4，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），水為二次蒸餾水。

1.2 實驗方法

（1）樣品的制備。稱取2.2 g乙酸鋅和1.5 g CTAB置于100 mL的燒杯中，加入30 mL蒸餾水，劇烈攪拌，形成溶液A。稱取1.4 g六亞甲基四胺于100 mL燒杯中，加入20 mL蒸餾水和2 mL 30 %的過氧化氫，攪拌全溶形成溶液B。把溶液B在攪拌下逐滴加入A溶液中，滴畢，移至100 mL的高壓反應釜中，在180 ℃下反應6 h，冷卻至室溫，依次使用蒸餾水和無水乙醇洗滌至中性，然后在80 ℃下干燥4 h，500 ℃條件下煅燒2 h，研磨即得白色納米ZnO樣品。改變反應時間和溫度，重復上述實驗操作，尋找最佳反應條件。

（2）樣品的表征。用北京普析通用儀器有限責任公司生產(chǎn)的XD-6多晶X射線粉末衍射儀對樣品進行物相分析；用Nicolet公司NICOLET6700型傅立葉變換紅外光譜儀對樣品進行定性分析；用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的FEI Quanta 200掃描電子顯微鏡對樣品進行微觀形貌觀察。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射（XRD）物相分析

圖1a和圖1b中分別為在不同反應時間和不同反應溫度下樣品的X射線粉末衍射圖。由圖1a可以看出，在180 ℃反應條件下，反應時間分別為6 h、12 h和24 h時，衍射峰幾乎是重疊的，說明反應時間對納米ZnO的晶型結構的影響不大，因此，我們選擇最佳反應時間為6 h。固定反應時間為6 h，考察不同反應溫度對納米ZnO的晶型結構的影響。由圖1b可以看出，反應溫度為120 ℃時的衍射峰最強，我們選擇制備納米ZnO的最佳反反應溫度為120 ℃。因此，最佳反應條件為：反應時間為6 h，反應溫度為120 ℃。從XRD測試得到的數(shù)據(jù)可知，ZnO樣品在（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）等晶面出現(xiàn)的衍射峰與標準卡片JCPDS36-1451對應一致，表明水熱處理后的ZnO樣品為六方晶型鉛鋅礦結構，衍射峰較尖銳，無雜質峰，說明制備的樣品結晶度很好，純度較高。

2.2 傅立葉-紅外（FT-IR）光譜分析

紅外光譜是對物質進行定性分析的一種主要方法。圖2中（a）和（b）分別表示納米ZnO煅燒前后的傅立葉-紅外圖譜。由圖2可知，煅燒后的譜圖雜峰比燒前的少很多，說明煅燒去除了很多雜質。波數(shù)3400 cm-1為納米氧化鋅表面水的羥基峰形成的伸縮振動，1600～1700 cm-1左右出現(xiàn)的吸收峰是水中的-OH基彎曲振動吸收峰，485 cm-1左右峰為氧化鋅的特征吸收峰，證明水熱過程得到了納米ZnO[5]。圖中沒有-CH3、-CH2、-C=O等基團的伸縮振動峰出現(xiàn)，表明樣品純度較高。

2.3 掃描電鏡（SEM）分析

從圖3掃描電鏡圖可以看出，納米ZnO整體呈現(xiàn)片狀結構，片狀單元之間結合緊密，排列均勻，發(fā)育較完全，粒徑尺寸不一，大概為幾十到幾百納米不等，無明顯團聚現(xiàn)象。

3 結語

本文以乙酸鋅和六亞甲基四胺為反應物，利用簡單水熱法合成了納米氧化鋅，并研究了在不同時間和不同溫度下反應所得納米氧化鋅的各項譜圖，得出制備納米氧化鋅的最佳反應條件為在120 ℃下反應6 h。目前，雖然合成納米氧化鋅的方法有很多，但大部分方法還處于實驗室理論研究階段，對其反應條件，形貌控制以及生產(chǎn)實用性等方面還需要深入研究，距離工業(yè)化應用還有一定距離，如其制備技術還不完善，形成機理、摻雜機理、光催化機理以及應用性能還應進行系統(tǒng)研究。不過相信經(jīng)過科學研究者的不懈努力，納米氧化鋅的發(fā)展會

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更好，將會在諸多方面有更廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]蘇照偉，方瑩，李鎮(zhèn)等.納米ZnO摻雜及性能研究新進展[J]. 化工新型材料，2014，42（01）：172-174.

[2]宋宇涵.納米氧化鋅的制備方法及其光催化性能[J].煤炭與化工，2014，37（11）：13-16.

[3]鮑艷，張永輝，馬建中等.一維納米氧化鋅的制備及應用研究進展[J].材料工程，2015，43（02）：103-112.

[4]王鑒，孟慶明，張健偉.納米ZnO的制備研究現(xiàn)狀[J].化工新型材料，2015，43（07）：236-238.

[5]才紅.鐵摻雜氧化鋅制備及對有機染料的光催化降解[J].無機鹽工業(yè)，2014，46（12）：71-74.

基金項目：周口師范學院大學生科研創(chuàng)新基金項目（zknuD201697）；周口師范學院化學化工學院實驗室開放項目（HXK201607）；周口師范學院化學化工學院大學生科研創(chuàng)新基金項目（HYDC2016004）。

*為通訊作者。