东华大学：材料科学与工程实验教学资源（讲义）无机纳米粉体.docx_大学文库

无机非金属材料工程专业大型实验无机纳米粉体的制备与表征1.实验目的意义纳米科学技术是20世纪80年代未期兴起的，是物理学、化学、材料学、生物学及电子学等多学科交叉的新的分支学科。所谓纳米材料，从狭义上说，就是有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米管和纳米固体材料的总称。纳米颗粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微粉，一般在1-100nm之间。纳米颗粒单位体积（或质量）的表面积比块体材料要大很多，这将导致纳米颗粒电子状态发生突变，从而出现表面效应，体积效应等。当粒子尺寸进入纳米量级时，粒子将具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而表现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。纳米材料的制备科学在当前纳米材料科学研究中占据极为重要的地位。根据制备原料状态可以将纳米材料的制备方法分为固相法、液相法及气相法。固相法制备纳米材料的方法有：高能机械球磨法、固相反应法等。液相法制备纳米材料的常用方法有：沉淀法、喷雾法、水热法、溶胶-凝胶法（胶体化学法）等。气相法制备纳米材料的常用方法有：情性气体冷凝法(IGC)、活性氢-熔融金属反应法、溅射法、化学气相凝聚法等。沉淀法制备金属氧化物粉体在工业生产中应用十分广泛，该方法操作简便，原料易得，生产成本低，产物纯度高，用于制备纳米氧化物粉体具有很好的大规模工业化生产的前景。本实验的目的（1）了解沉淀法制备纳米粉体的基本原理。（2）掌握沉淀法制备纳米粉体的工艺过程。（3）了解纳米粉体的常用的表征方法。2.实验基本原理包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂（如OH-、C2O42-、CO32等）后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物1

无机非金属材料工程专业大型实验 1 无机纳米粉体的制备与表征 1．实验目的意义纳米科学技术是 20 世纪 80 年代末期兴起的，是物理学、化学、材料学、生物学及电子学等多学科交叉的新的分支学科。所谓纳米材料，从狭义上说，就是有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米管和纳米固体材料的总称。纳米颗粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微粉，一般在 1-100 nm 之间。纳米颗粒单位体积（或质量）的表面积比块体材料要大很多，这将导致纳米颗粒电子状态发生突变，从而出现表面效应，体积效应等。当粒子尺寸进入纳米量级时，粒子将具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而表现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。纳米材料的制备科学在当前纳米材料科学研究中占据极为重要的地位。根据制备原料状态可以将纳米材料的制备方法分为固相法、液相法及气相法。固相法制备纳米材料的方法有：高能机械球磨法、固相反应法等。液相法制备纳米材料的常用方法有：沉淀法、喷雾法、水热法、溶胶-凝胶法（胶体化学法）等。气相法制备纳米材料的常用方法有：惰性气体冷凝法(IGC) 、活性氢-熔融金属反应法、溅射法、化学气相凝聚法等。沉淀法制备金属氧化物粉体在工业生产中应用十分广泛，该方法操作简便，原料易得，生产成本低，产物纯度高，用于制备纳米氧化物粉体具有很好的大规模工业化生产的前景。本实验的目的（1）了解沉淀法制备纳米粉体的基本原理。（2）掌握沉淀法制备纳米粉体的工艺过程。（3）了解纳米粉体的常用的表征方法。 2．实验基本原理包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂（如 OH-、C2O4 2-、CO3 2- 等）后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物

无机非金属材料工程专业大型实验或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即得到所需的氧化物粉体。（1）共沉淀法：含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法。它又可分为单相共沉淀和混合物的共沉淀。单相共沉淀：沉淀物为单一化合物或单相固溶体时，称为单相共沉淀。例如，在Ba，Ti的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后，形成了单相化合物BaTiO(C2H4)2-4H2O沉淀。经高温（450-750°C）加热分解，经过一系列反应可制得BaTiO3粉料。混合物共沉淀：如果沉淀产物为混合物时，称为混合物共沉淀。四方氧化锆或全稳立方氧化锆的共沉淀制备。用ZrOCl2·8H2O和Y2O3为原料来制备ZrO2-Y2O3的纳米粒子的过程为：Y2O3用盐酸溶解得到YCl3，然后将和配制成一定浓度的混合溶液，在其中加入NH4OH后便有Zr(OH)4和Y（OH)3的沉淀粒子缓慢形成。反应式为：ZrOCl2+2NH4OH+H2O===Zr(OH)4++2NH4CIYCl3+3NH4OH==Y(OH)3++3NH4CI得到的氢氧化物共沉淀物经洗涤、脱水、搬烧可得到具有很好的烧结活性的ZrO2（Y2O3）微粒。（2）均相沉淀法一般的沉淀过程是不平衡的，但如果控制溶液中的沉淀剂浓度，使之缓慢地增加，则使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，这种方法称为均匀沉淀。通常是通过溶液中的化学反应使沉淀剂慢慢地生成，从而克服了由外部向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性，结果沉淀不能在整个溶液中均匀出现的缺点。例如，随尿素水溶液的温度逐渐升高至70°C附近，尿素会发生分解，即(NH2)2+3H2O=——=2NH4OH+CO2 t由此生成的沉淀剂NH4OH在金属盐的溶液中分布均匀，浓度低，使得沉淀物均匀地生成。由于尿素的分解速度受到加热温度和尿素浓度的控制，因此可以使尿素分解速度降得很低。（3）金属醇盐水解法。2

无机非金属材料工程专业大型实验 2 或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即得到所需的氧化物粉体。（1）共沉淀法：含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法。它又可分为单相共沉淀和混合物的共沉淀。单相共沉淀：沉淀物为单一化合物或单相固溶体时，称为单相共沉淀。例如，在 Ba ， Ti 的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后，形成了单相化合物 BaTiO(C2H4)2·4H2O 沉淀。经高温（450-750oC）加热分解，经过一系列反应可制得 BaTiO3 粉料。混合物共沉淀：如果沉淀产物为混合物时，称为混合物共沉淀。四方氧化锆或全稳立方氧化锆的共沉淀制备。用 ZrOCl2·8H2O 和 Y2O3 为原料来制备 ZrO2- Y2O3 的纳米粒子的过程为：Y2O3用盐酸溶解得到 YCl3，然后将和配制成一定浓度的混合溶液，在其中加入 NH4OH 后便有 Zr(OH)4 和 Y (OH)3 的沉淀粒子缓慢形成。反应式为： ZrOCl2+2NH4OH+H2O=== Zr(OH)4↓+2NH4Cl YCl3+3 NH4OH ==== Y (OH)3↓+3 NH4Cl 得到的氢氧化物共沉淀物经洗涤、脱水、煅烧可得到具有很好的烧结活性的 ZrO2（Y2O3）微粒。（2）均相沉淀法一般的沉淀过程是不平衡的，但如果控制溶液中的沉淀剂浓度，使之缓慢地增加，则使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，这种方法称为均匀沉淀。通常是通过溶液中的化学反应使沉淀剂慢慢地生成，从而克服了由外部向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性，结果沉淀不能在整个溶液中均匀出现的缺点。例如，随尿素水溶液的温度逐渐升高至 70oC 附近，尿素会发生分解，即 (NH2)2+3H2O====2NH4OH+CO2↑ 由此生成的沉淀剂 NH4OH 在金属盐的溶液中分布均匀，浓度低，使得沉淀物均匀地生成。由于尿素的分解速度受到加热温度和尿素浓度的控制，因此可以使尿素分解速度降得很低。（3）金属醇盐水解法