微波水热合成法制备纳米材料.doc

实验7微波水热合成法制备纳米材料 一、实验导言 “纳米”一词出自长度单位之一——nm的中文音译。20世纪后半叶，科学技术的发展先后出现了以“纳米”为名的一系列名词、术语。例如，纳米技术：逐个地移动分子或原子的技术称纳米技术，又称分子搭建技术；纳米结构：系统内以纳米级构建的结构件称纳米结构；纳米粒子：粒子直径在1～100 nm的粒子称纳米粒子；纳米材料：由纳米级粒子制成的材料称纳米材料；以及基于纳米级研究的各种具体命名，“纳米型电池”就是一例。 在物质结构研究中，人们从物质的宏观性质，例如，熔点、硬度、稳定性、导电性、磁性、光学性能等追溯到物质的微观结构，即原子结构、化学键、分子结构、晶体结构等来说明物质的性质。对材料也是如此。 科学上对物质结构的研究从来没有停止过。纳米级研究为我们展示了一个全新的概念，开辟了一个崭新的空间，即在物质的宏观层次和微观层次之间还存在着不同的亚微观层次，即团簇、纳米、介观等层次。 我们来定量地比较一下上述物质层次： 微观粒子的原子个数：1个到数个； 亚微观粒子的原子或分子个数：数百个到数千个； 宏观粒子的原子或分子个数：无限多。 即纳米粒子是具有数百到数千个原子或分子的粒子。粒子的尺度如此微细，它与化学成分完全相同的宏观粒子相比，具有许多不同寻常的特点。例如，表面效应，体积效应和量子尺寸(Kubo)效应等。 体积效应：纳米粒子的尺度与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，边界条件被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、熔点等都发生很大的变化。称为体积效应。表现在宏观性质上，纳米粒子的熔点远低于宏观粒子，例如，普通金的熔点为1063℃，而纳米金的熔点只有330℃。此特性为粉末冶金提供了新工艺条件。另外，利用等离子共振频移随颗粒粒度变化的性质可以制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽和隐形技术。 表面效应：粒子的表面原子数与原子总数之比随粒度的减小迅速增加，引起粒子的表面积和表面能迅速增大，称为表面效应。该效应表现在表面原子的晶场环境等与内部原子不同，使之易与其他原子稳定结合，具有很强的化学和催化活性。 量子尺寸(Kubo)效应：当粒子尺寸小到一定值时，某些电子有从准连续能级变为分立能级的现象，称为量子尺寸效应。因由Kubo通过实验证实，也称为Kubo效应。通俗地说，该效应使纳米粒子具有特殊的光学、力学、电磁学、耐磨、耐蚀、巨弹性模量、巨磁阻效应等性能，应用上可使微电子器件进一步微型化。 纳米粒子的特性所致，使纳米粒子磁性粉末如Fe2O3有很多潜在的用途：用作信息储存、彩色成像、生物加工、铁流体、磁凝和磁共振成像等的软磁材料；用于制备磁纪录纳米气敏材料等。再如SnO2是广泛用作对CO、煤气、乙醇等还原性气体进行检测和报警的气敏材料，若制成TiO2一SnO2固溶体纳米粉末，可使材料的灵敏度明显提高，使用效果更佳。 逐年深入的纳米研究推动着纳米技术的发展。在扫描隧道显微镜下蚀刻出的纳米级汉字令人惊叹不已；在微电子介质上制造出记录密度为普通磁盘3万倍的高密度存储器，于普通邮票大小的衬底上记录下400万页报纸刊载的内容令人叫绝。一些基于纳米技术的工具和器件也相继诞生：微型机电系统、专用集成微型仪器、传感器等。科学家们还提出了许多“不可思议”的设想，期待着诸如：纳米机器人、纳米卫星等梦想成真。 目前，我国已有ZnO、Fe2O3等纳米粉末以可观的规模投入工业化生产。 纳米粒子和纳米材料的制备方法很多。化学方法有：气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微孔乳液法等。微波水热合成法是近年崭露头角的一种纳米粒子的制备方法，即用微波的方法促进化学反应获得产物的方法。其原理涉及微波化学反应的复杂机理。 微波是频率为300 MHz～300 GHz、波长为1 m～1 mm，具有较强的穿透性和优异的选择性。在微波作用下，化学反应的突出特点是反应速率加快，较常规方法反应速率提高2～3个数量级。机理尚无定论。有观点认为微波的频率与原子、离子的震动频率相同，因而加快反应速率。另外，微波可使极性分子和离子极化，也起到加速化学反应的作用。 本实验采用微波水热合成法制备纳米粒子Fe2O3，再进一步制成块体，利用实验室简便的方法测定一般性质。 二、实验原理和提要 FeCl3溶液与水反应生成Fe2O3是一个复杂的水解聚合及相转移、再结晶过程，反应式为 χ[Fe(H2O)6]3+Fex(OH)y（3x-y） [α—FeOOH] χ／2[Fe2O3] 加入配合剂TETA(三亚乙基四胺：C6H18N4)与Fe3+反应形成配合物，当TETA被—OH置换后转化为Fe(OH