多種形貌ZnO微晶的液相合成與表征
——介紹一個趣味性和易操作性相結合的綜合化學實驗

謝娟 邊麗 鄧娟 魏雨

(1河北工程大學理學院 河北邯鄲 056038； 2邯鄲市第四中學 河北邯鄲 056107；3河北師范大學化學與材料科學學院 河北石家莊 050016)

實驗課在化學教學中占有特殊的地位。隨著社會的發展和科技的進步，對創新意識和創新能力的培養已成為教育者普遍關注的焦點，全面提高大學生綜合素質更成為高等教育改革的一個重要目標。綜合化學實驗就是把基礎化學的理論知識和各種實驗技能及方法加以歸納、分析、相互滲透的一種有效實驗形式。與傳統的化學實驗相比，它不僅改變了各基礎實驗自成體系、相互脫節的傳統模式，還克服了各專門化實驗內容過細過窄的不足；可對發揮學生的主動性和積極性，拓寬其知識面，培養他們的綜合實踐能力，特別是創新意識和創新能力起積極作用[1]。

目前，在一些大學開設的綜合化學實驗中，涉及微米/納米材料合成及表征的實驗相對較少。因此，筆者結合以往的科研工作，在以ZnCl2和NaOH作為主要原料，采用低溫陳化的簡單裝置制備ZnO微晶，以及反應條件變化會對ZnO顆粒形貌產生顯著影響等科研成果的基礎上，設計了一個綜合化學實驗[2-4]。通過本實驗,學生不僅可以了解微米/納米材料的相關基礎知識，還能掌握無機金屬氧化物微米/納米顆粒的常見合成方法和常用表征手段。此實驗可以用作大學綜合化學實驗課的內容。

1 實驗目的

(1) 了解無機微米/納米材料的基本知識。

(2) 掌握液相法制備氧化鋅微晶的原理和方法。

(3) 了解微米/納米材料的常用表征手段，例如由X射線衍射圖譜、電子顯微鏡照片、紅外光譜和紫外-可見光譜了解物質的某些結構特征。

2 實驗原理

利用X射線粉末衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜儀(IR)和紫外-可見光譜儀(UV-Vis)等對產物進行表征。

3 試劑儀器

(1) 試劑：氯化鋅(ZnCl2)，氫氧化鈉(NaOH)，十二烷基硫酸鈉(SDS)及乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA)，以上均為分析純；以鄰苯二甲酸氫鉀為工作基準試劑；所有溶液均用蒸餾水配制。

(2) 儀器：恒溫槽，磁力攪拌器，水浴鍋，X射線粉末衍射儀，掃描電鏡，紅外光譜儀，紫外-可見光譜儀。

4 實驗步驟

(1) 儲備液配制及濃度標定：配制1.0mol·L-1ZnCl2溶液，4.0mol·L-1NaOH溶液，0.2mol·L-1SDS溶液。用EDTA標準溶液標定ZnCl2溶液的濃度，用基準試劑鄰苯二甲酸氫鉀標定NaOH溶液的濃度。

(3) 恒溫陳化相變：將包含著白色沉淀物的反應前驅液轉移到帶有磨口塞的250mL錐形瓶中，置于85℃恒溫水浴鍋中陳化5h。

(4) 產物后處理：將產物取出后抽濾，用去離子水洗滌數次，直至溶液澄清無泡沫，濾餅在室溫下干燥，密封保存所得粉體。

(5) 取適量制備的產物，在X射線粉末衍射儀上測定產物的XRD圖譜。將所得圖譜與標準圖譜對照，對產物做物相鑒定。

(6) 對產物進行SEM表征，觀測產物的粒度和形貌。

(7) 取少量制備的產物與KBr混合，研碎后壓片，用紅外光譜儀測定樣品的IR光譜。

5 結果與討論

5.1 XRD表征

圖1 不同鋅堿比所得ZnO樣品的XRD圖譜

5.2 SEM表征

圖2 不同鋅堿比所得ZnO樣品的SEM照片(a) 4;(b) 5;(c) 6;(d) 7;(e) 8;(f) 9

n(ZnCl2):n(NaOH)SEM標號粒度/μm直徑/nm長度/μm長徑比1:4a～1.1～200～0.421:5b～3.8～200～2.0101:8e～7.9～800～2.431:9f～11.7～1500～9.06

5.3 IR光譜表征

ZnO的IR分析見圖3。由圖3可知，3441.64cm-1處為氫鍵的O—H伸縮振動吸收峰；1636.27cm-1處為自由水的H—O—H彎曲振動峰，表明微米/納米ZnO容易吸水；517.15cm-1處為ZnO的特征吸收峰[8-9]。

5.4 UV-Vis光譜表征

圖3 產物的IR光譜

圖4 不同鋅堿比所得ZnO樣品的UV-Vis光譜

圖4顯示，ZnO微晶在300～400nm范圍內有強吸收峰，這表明其紫外光吸收性能較強。隨著顆粒粒度減小，產物對紫外光的吸收強度雖有所降低，但吸收邊帶卻發生小幅紅移，漸入可見光區。由于光譜的吸收曲線描述了物質對不同波長光的吸收能力，反映了物質分子能級的變化，因此吸收曲線的形狀、最大吸收波長的位置以及吸收強度等與分子的結構有密切的關系。

6 小結

本文設計了一個ZnO微晶合成與表征實驗。文中給出的僅是一種反應條件的變化，可根據實際學時，讓學生自主改變其他反應條件(如時間、溫度等)進行探索，產物的結構、形貌及性能測試等部分的實驗，可根據情況選做。

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