离子液体中ZnO纳米材料的制备

关键词: 纳米技术 液体 离子

一、研究背景

离子液体作为一种新型的绿色环保溶剂, 在无机纳米材料合成中取得了很好的应用效果, 引起研究者的广泛关注。离子液体与纳米技术这两个热门研究领域的联姻, 更是为现代化学提供了一块令人瞩目的研究空间。Zn O是一种非常重要的宽带隙半导体材料, 其室温下禁带宽度为3.37e V, 束缚激子结合能高达60me V, 具有独特的光学、声学和电学性质。目前, 合成Zn O纳米结构的方法有化学气相沉淀法、模板法、电化学沉淀法、激光束法和湿化学法如微乳液生长法及水热合成法等。在这些传统的方法中, 一般需要高温、有毒的模板、复杂的反应设备或较长的反应时间, 人们一直在寻找一种简便快速、绿色的合成方法。

二、实验研究

1. 实验主要仪器及试剂

仪器DF-1015集热式恒温加热磁力搅拌器 (北京瑞成伟业仪器制备有限公司) ;TG16-WS台式高速离心机 (长沙平凡仪器仪表有限公司) ;DRZ-A电阻炉温度控制器 (天津实验电炉厂) ;FA2004N电子天平 (HANGPING) 等。

试剂[Bmim] (Henan Lihua Pharmaceutical Co.Ltd, 分析纯) ;六水硝酸锌 (分析纯, 成都化学试剂厂) ;氢氧化钠 (分析纯, 天津市恒兴试剂制造有限公司) ;无水乙醇 (分析纯, 天津市富宇精细化工有限公司) 。实验用水是二次去离子水。

2. 实验过程

(1) 离子液体中氢氧化锌的制备

称取0.37g六水硝酸锌以及0.50g氢氧化钠于50m L蒸馏烧瓶中, 加入10m L去离子水和10m L[Bmim][PF6]混合, 加入搅拌子, 将蒸馏烧瓶置于恒温水浴锅中, 将温度调至80℃, 加热30min后取出, 盖上玻璃塞冷却至室温, 静置过夜。

(2) 氢氧化锌的洗涤

用洁净的滴管分别将上述制备的溶液移入四支洁净的10m L离心管, 用无水乙醇将蒸馏烧瓶洗涤, 并将洗涤液也移入相应的离心管中, 将其两两等重, 对称地放入离心机的转子试管孔内, 拧紧连接转子与电机轴的螺钉, 将其进行离心分离。设置转子号为3, 转速为10000r/min, 离心时间为40min。

离心结束后, 用滴管将上层清液移取到250m L的洁净烧杯中, 并用无水乙醇将沉淀与烧瓶洗涤, 离心分离3次, 之后改用去离子水洗涤, 离心分离2次。

移取清液后, 将烧杯中的洗涤液静置一夜, 再次移取清液, 将烧杯中的沉淀转入之前的离心管中, 再分别用无水乙醇、去离子水洗涤, 离心分离一次;随后将两两离心管中的沉淀合并, 再用去离子水洗涤, 离心分离一次;最后将两支离心管中的沉淀合并于其中一支离心管中, 用去离子水洗涤, 离心分离一次, 并去除上层清液。在洗涤, 离心分离所设置的转子号为3, 转速为10000r/min, 离心时间为20min。

(3) 氧化锌的制备

将洁净的坩埚在300℃下恒重1小时, 取出后在干燥器中冷却至室温, 准确称取其质量, 再将离心管中的沉淀转移到坩埚中, 放入马弗炉中在300℃进行灼烧4小时, 在干燥器中冷却至室温, 再准确称取其质量, 称量Zn O纳米材料的质量并计算其产率。

三、结果与讨论

1. 反应温度的影响

通过实验研究离子液体中氢氧化锌制备反应温度的影响, 分别将恒温水浴锅调为75℃、80℃、85℃, 加热30min后取出, 盖上玻璃塞冷却至室温, 静置一夜。洗涤, 离心分离之后, 在马弗炉中300℃煅烧4小时后, 称其质量并计算产率。结果表明, 反应温度调至80℃时, Zn O纳米材料的产率最大。通过电镜扫描可知, 75℃下所制备出的Zn O直径分布范围较宽、形貌不均匀, 呈球状;80℃下所制备出的Zn O直径分布范围较窄、形貌均匀, 呈花簇状;85℃下所制备出的Zn O直径分布范围较宽、形貌不均匀, 大多呈球状, 部分为花簇状。由XRD表征可知, 75℃、85℃下所制备出的Zn O生长趋势大致相同, 发现杂相峰, 说明下不利于找出Zn O的择优生长取向;而80℃下所制备出的Zn O没有发现杂相峰, 表明Zn O具有很好的晶型结构, 且有择优取向生长性。

2.[Bmim]PF6用量的影响

通过实验研究不同的[Bmim]PF6用量 (0、5m L、10m L、15m L) 对离子液体中氢氧化锌制备过程的影响, 发现[Bmim]PF6用量为10m L时, Zn O纳米材料的产率最大, 可达99.21%。[Bmim]PF6用量不多于10m L时, 产品Zn O颜色均为白色;[Bmim]PF6用量超过10 m L时, 产品颜色为土褐色。通过电镜扫描可知, 在没有[Bmim]PF6离子液体下所制备出的Zn O直径分布范围较宽、形貌较均匀, 呈棒状, 由XRD测试没有发现杂相峰, 表明Zn O具有较好的晶型结构, 有择优取向生长性;在5m L[Bmim]PF6离子液体下所制备出的Zn O直径分布范围较宽、形貌较均匀, 呈花状, 由XRD测试有杂相峰;在10m L和15m L[Bmim]PF6离子液体下所制备出的Zn O直径分布范围较窄、形貌均匀, 均呈花簇状, 10m L[Bmim]PF6离子液体下所制备出的Zn O没有发现杂相峰, 具有很好的晶型结构和择优取向生长性, 15m L[Bmim]PF6离子液体下所制备出的Zn O由于离子液体过多, 会引入杂相峰, 影响Zn O的生长。

以硝酸锌和氢氧化钠为反应物, 在离子液体水溶液中通过加热成功制备出Zn O纳米材料, 实验发现离子液体在反应过程中起着关键的作用。研究中获得Zn O纳米材料的最佳条件是:Zn (NO3) 2·6H2O和Na OH的摩尔比为1∶10, 离子液体液体[Bmim]PF6和水的体积比为1:1, 反应温度为80℃。产物产率高, 结晶性好, 形貌均匀。

摘要:在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐[Bmim][PF6]水溶液中通过DF-1015集热式恒温加热磁力搅拌器加热30min制备出Zn (OH) 2, 煅烧制成ZnO纳米材料。并用x射线衍射仪、场发射电镜对其进行了表征。

关键词:离子液体,纳米材料,离心分离,ZnO

参考文献

[1] 曹洁明, 房宝青, 王军等.离子液体在无机纳米材料合成上的应用[J].化学进展, 2005, 6.

[2] 陈楚艳, 侯庆, 吴会杰等.离子液体中微波辅助制备ZnO纳米棒及光学性能研究[J].功能材料, 2010, 06.

[3] 杨森, 倪永红.低维ZnO纳米材料.化学进展, 2007, 10.

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