固相反應合成納米材料及材料的表征

1、固相反應合成ZnO納米材料及材料的表征摘要：固相反應近年來日益受到重視并取得了廣泛發(fā)展, 它的突出優(yōu)點是操作方便, 合成工藝簡單, 粒徑均勻, 且粒度可控, 污染少, 同時又可以避免或減少液相中易出現(xiàn)的硬團聚現(xiàn)象。納米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應, 在催化、光學、電磁、超導、化學和生物活性等方面呈現(xiàn)出優(yōu)良的物理化學特性, 成為特殊功能材料發(fā)展的基礎, 是當前物理、化學和材料科學的一個活躍領域。關鍵字：固相反應 ZnO納米材料 表征方法本文主要介紹固相化學反應用到納米材料的合成中, 在室溫下通過固相反應合成出ZnO納米材料, 并對其結構進行了表征。1 實驗11 納

2、米的制備常規(guī)粒徑的ZnO采用市售ZnO，即樣品A。精確稱取草酸及二水合乙酸鋅(物質(zhì)的量比為1：1)置于瑪瑙研缽中，研磨30 min，然后將固相產(chǎn)物在烘箱中70真空干燥4 h，得到前驅(qū)物ZnC204·2H2O，再將該前驅(qū)物置于馬弗爐中加熱至分解溫度(4601，保溫2 h，即得樣品B。所用試劑均為分析純。12 物性檢測使用日本理學DMAX-1200型X射線衍射分析儀對試樣進行XRD分析，其實驗條件為：Cu 輻射，石墨單色器，管電壓40 kV，管電流30 mA，連續(xù)掃描速度30()min；由Philips公司生產(chǎn)的Tecnai 20型透射電鏡對試樣的粒度和形貌進行分析。13 電極的制備及組

3、成分別制備下面3種類型的鋅電極：1）普通ZnO電極；2)納米ZnO 電極；3)納米ZnO與普通ZnO混合電極。將活性物質(zhì)ZnO和石墨按質(zhì)量比為9：1的比例充分混合，加入40的聚四氟乙烯作為粘結劑。用刮片將調(diào)成糊狀的樣品刮入多孔泡沫鎳基底中，經(jīng)烘干、壓片制成電極。14 充放電實驗充放電性能測試采用天津蘭力科化學電子高技術有限公司生產(chǎn)的LK2001C型電池充放電測試系統(tǒng)測定。將氧化鋅電極與涂膏式氫氧化鎳電極(其容量遠大于鋅電極容量)組成模擬電池，其中鋅電極(1 cm1 cm)用聚丙烯隔膜包裹，充放電電流均為30 mA，充電時問3 h，放電截止電壓120V。2 結果與討論21 納米ZnO的表征由普通

4、ZnO與納米ZnO的x射線衍射圖譜可知，普通粉體ZnO和固相合成的納米ZnO粉體均為纖鋅礦六方晶體結構。本研究所制備的樣品相對于普通ZnO衍射峰存在明顯的寬化現(xiàn)象，這正是納米粒子的特性。根據(jù)謝樂公式選擇幾個較強的衍射峰，計算出納米ZnO粉末的平均粒度約為32 nm。由納米ZnO與普通ZnO的TEM 照片可知，普通ZnO粉體為棒狀，粒度大小為微米級；而通過固相配位化學法制備的納米ZnO粉體基本呈球形，粒度大小在2050 am之間，與通過XRD譜計算的結果基本一致。 22 充放電性能由不同組成的納米ZnO電極放電容量與循環(huán)次數(shù)的關系曲線可見，純ZnO電極盡管初始放電容量均較高f均高于350 mA&

5、#183;hg)，但是容量衰減很快。特別是純納米ZnO電極，在15次充放電循環(huán)后放電容量已衰減至初始放電容量的10，表明此時的納米ZnO電極已基本失效，電極上已沒有多少活性物質(zhì)，ZnO已基本溶解并逐步不可逆地擴散到電解液中；而普通ZnO電極的循環(huán)充放電性能要優(yōu)于納米ZnO 電極，這與前面的循環(huán)伏安性能分析結果一致。而納米ZnO與普通ZnO混合的電極循環(huán)充放電性能均優(yōu)于純納米ZnO 電極，且試樣D 的性能也優(yōu)于普通ZnO 電極。由于納米ZnO的粒度為納米級，而普通ZnO為微米級，因此納米ZnO很容易填充到普通ZnO顆粒的空隙中，這樣原來一個較大的空隙被填入的納米ZnO粉體細分為比較小的空隙，極大

6、增加了電極的孔隙率，增加了電化學反應的有效表面積和反應粒子與離子電荷傳輸?shù)耐ǖ馈Ｍ瑫r， 由于納米ZnO具有較大的表面效應 引，因而表面能高，位于表面的原子占相當大的比例；而且隨著微粒粒徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加，這是由于粒徑小，比表面積急劇增大所致。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面的原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結合。因此，它能強烈地吸附堿性溶液中的OH一到空隙中，大大縮短離子擴散路徑，改善鋅電極反應的傳質(zhì)和傳荷條件，提高了鋅電極的電化學性能。同時，對于鋅電極這種充放電過程中體積變化較大的電極，由于納米材料具有較好的塑性和蠕變性，可以減輕電極的變形問題，

7、大大改善了鋅電極的循環(huán)充放電性能。但是， 由于實驗中未采用含飽和ZnO的KOH溶，故ZnO 在電解液中的溶解較為顯著，因此，在l5次充放電循環(huán)后，試樣A及試樣D 的放電容量已衰減至初始放電容量的20左右。 3 結論1)以草酸、二水合乙酸鋅為原料，采用固相配位化學法制備了粒子平均尺寸在2050 nm之間的ZnO粉體。2)21在60 molL的KOH溶液中，ZnO電極循環(huán)充放電性能均較差，特別是純納米ZnO電極。而納米粒子填充在常規(guī)粒徑粒子間的空隙中，可改善電極反應的傳質(zhì)和傳核條件，減小電極充放電過程中的變形，提高鋅電極的氧化還原可逆性能以及循環(huán)充放電性能。納米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺

8、寸效應和宏觀量子隧道效應, 在催化、光學、電磁、超導、化學和生物活性等方面呈現(xiàn)出優(yōu)良的物理化學特性, 成為特殊功能材料發(fā)展的基礎, 是當前物理、化學和材料科學的一個活躍領域。納米材料的制備方法很多，可歸納為固相法、氣相法、和液相法三大類。其中固相反應近年來日益受到重視并取得了廣泛發(fā)展, 它的突出優(yōu)點是操作方便, 合成工藝簡單, 粒徑均勻, 且粒度可控, 污染少, 同時又可以避免或減少液相中易出現(xiàn)的硬團聚現(xiàn)象，擁有廣闊的的應用前景。參考文獻1、 夏熙能源形勢與化學電源的機遇J電池，2007，37(3)：1901942、 王獅，陳嘉嘉，鄭明森，等化學電源研究展望 美國電化學會第213次會議評述J電池，2008，38(5)：297-299.3、 高效岳，沈濤，唐琛明，等 ZnNi電池進展J電池工業(yè)， 2002，7; 2202244、 褚有群，馬淳安，張文魁