半透膜法制備納米硫化鋅研究型綜合實驗

桂美芳 章敏

摘 要：設計了“半透膜法制備納米硫化鋅”研究型綜合化學實驗，探究水熱法制備硫化鋅粒子的最佳反應溫度、最佳反應時間，以及對比了雞蛋膜和火棉膠半透膜這兩種半透膜法進一步制備納米硫化鋅。通過該實驗項目的教學，可使學生掌握無機化合物的表征的方法，并進一步加強學生實踐操作能力、科研探究能力以及綜合運用知識的能力。該項目集無機合成實驗、半透膜制備實驗和儀器分析實驗于一體，具有很強的應用性和操作性，可用于研究型綜合化學實驗來開設。

關鍵詞：硫化鋅；最佳反應條件；半透膜法；綜合化學實驗

硫化鋅屬于第三代寬禁帶半導體材料之一，半導體硫化鋅在300 K時，其禁帶寬度為3.647 eV。[1]并且其不同的晶體結構會導致其具有不同的光電性質(zhì)，正是如此，硫化鋅的應用十分廣泛，比如光學應用方面可以使用硫化鋅材料的藍移現(xiàn)象制造發(fā)光二極管；在電學應用方面可以借助其高比表面積和化學活性來實現(xiàn)對光、氣體、濕度等變化的監(jiān)測。[2]除此之外，其在醫(yī)學、藥學等方面也有著重要的應用。納米硫化鋅的制備已得到廣泛的關注，并成為近些年來的研究熱點之一。

硫化鋅的合成方法眾多：比如液相法、固相法、氣相法等，大大受到了化學工作者的廣泛關注，[3]但是將其作為一個研究型的綜合性實驗引入到本科生的綜合性實驗教學中，卻還未有人進行嘗試。根據(jù)我們前期的工作，為本科生綜合性實驗提供了一種“半透膜法制備硫化鋅”的實驗方案。即利用硫化鈉與硫酸鋅利用水熱法制備硫化鋅粒子，再利用雞蛋膜或者火棉膠半透膜進行透析制備納米硫化鋅。此法相較于張炯等人[4]的液相法制備納米硫化鋅步驟較為簡單些，相較于氣相沉積法制備納米硫化鋅則條件較為寬松些，無需惰性氣體環(huán)境。該項目綜合了無機材料制備法之一的水熱法、無機材料的分析與表征，以及半透膜的制備等內(nèi)容。通過該項目的實施，學生可以大大加強自己的動手能力，還能增強他們分析問題與解決問題的能力，培養(yǎng)了他們綜合運用知識、實踐操作以及創(chuàng)新的能力，為后期他們畢業(yè)論文工作的順利開展，工作能力的加強，科研能力的提升奠定了堅實的基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗目的

（1）了解雞蛋膜和火棉膠半透膜的制備方法；

（2）掌握水熱法制備無機材料條件的摸索與控制；

（3）掌握紫外-可見分光光度計的使用；

（4）學會透析法制備納米材料；

（5）了解XRD工作的基本原理。

1.2 實驗原理

硫化鈉與硫酸鋅作為制備硫化鋅粒子的原材料，通過水熱反應制備出硫化鋅粒子，此時的粒子的粒徑分布較寬且含有其他雜質(zhì)離子，我們再利用雞蛋膜或者火棉膠半透膜這種半透膜的特性，將所得的硫化鋅粒子置于半透膜內(nèi)，并將此半透膜置于蒸餾水中靜置交換一段時間，小尺寸的硫化鋅粒子通過半透膜進入蒸餾水中，將含納米硫化鋅的蒸餾水蒸發(fā)濃縮，再將所得的白色沉淀抽濾，并用無水乙醇進行洗滌，最后放入真空干燥箱中烘干，即得白色的納米硫化鋅純品。

1.3 課時安排

實驗總學時為20學時，硫化鋅粒子制備最佳反應時間和最佳反應溫度是6學時，半透膜的制備為3學時，透析法制備納米硫化鋅是3學時，洗滌、干燥硫化鋅粒子是3學時，紫外-可見光譜儀的學習、使用是3學時，所有譜圖解析是2學時。

1.4 試劑與儀器

（1）試劑：火棉膠液、冰乙酸、硫酸鋅（分析純）、硫化鈉（分析純）

（2）儀器：YP-202型電子天平、DF-Ⅱ型數(shù)顯集熱式磁力攪拌器、U-3900型紫外-可見分光光度計、DX-2700型XRD射線衍射儀。

1.5 純化硫化鋅的制備

1.5.1 硫化鋅粒子的制備

將500 mL圓底燒瓶放在數(shù)顯集熱式磁力攪拌器中固定好，加入大號磁力攪拌子，再用量筒量取125mL 0.1mol/L的硫酸鋅溶液加入到500 mL的圓底燒瓶里，再量取125 mL的0.1mol/L的硫化鈉溶液緩慢加入圓底燒瓶中，直至有大量白色固體生成。此時將反應溫度控制在40℃反應至1h、2h、3h、4h、5h時，各取一組樣，標記為1a、2a、3a、4a、5a。再另外準備4組實驗，其他條件如上，只是將溫度分別設定為50℃、60℃、70℃、80℃，在反應時間為1h、2h、3h、4h、5h時，各取一組樣，50℃的5個樣品分別標記為1b、2b、3b、4b、5b。60℃的5個樣品分別標記為1c、2c、3c、4c、5c。70℃的5個樣品分別標記為1d、2d、3d、4d、5d。80℃的5個樣品分別標記為1e、2e、3e、4e、5e。再通過紫外-可見分光光度計檢測這25組樣品的吸光度高低，從而得出最佳反應時間和反應溫度。

1.5.2 兩種半透膜的制備

（1）雞蛋半透膜的制備。取一個生雞蛋放入250 mL的燒杯中，再倒入30 mL的冰乙酸，最后加入適量的蒸餾水直至淹沒雞蛋為止。用保鮮膜封住燒杯口并用橡皮筋扎緊，放置25 h后取出，戴上橡膠手套，輕輕剝掉雞蛋表面的殼，用清水洗干凈表面的物質(zhì)，再用一次性注射器輕輕扎進去吸出雞蛋清和蛋黃，之后注入蒸餾水清洗三遍，放在裝有蒸餾水的干凈燒杯中待用。

（2）火棉膠半透膜的制備。準備一個潔凈、干燥的250mL錐形瓶，一瓶火棉膠液和帶有鐵圈的鐵架臺。先在錐形瓶中倒入少許的火棉膠液，然后對準錐形瓶瓶口沿著瓶壁緩緩倒入火棉膠液，同時慢慢旋轉(zhuǎn)錐形瓶，待瓶壁周圍全部都覆蓋了一層薄薄的火棉膠液后，繼續(xù)轉(zhuǎn)動錐形瓶，當其差不多凝固后，倒扣在鐵圈上讓多余的火棉膠液流出來，下邊放一個燒杯接住多余的少許火棉膠液，最后等錐形瓶內(nèi)的火膠棉液干燥后將錐形瓶拿下來，從錐形瓶的瓶口掀起一點薄膜，在錐形瓶和火棉膠半透膜之間倒入適量清水，轉(zhuǎn)動錐形瓶使清水沿瓶壁流動一周后，輕輕拿出已經(jīng)成型的火棉膠半透膜待用。

1.5.3 半透膜法制備納米硫化鋅

取用最佳條件下制備的硫化鋅粒子10 mL兩份分別加入到之前制備的雞蛋膜和火棉膠半透膜中，再分別放入裝有62.5 mL蒸餾水的燒杯中，靜置滲透4h。

1.6 納米硫化鋅的紫外-可見分光光度計檢測和XRD測試

1.6.1 納米硫化鋅的紫外-可見分光光度計檢測

將雞蛋膜和火棉膠半透膜制備的硫化鋅粒子靜置相同時間后，取等體積（各3 mL）的上層清液進行紫外-可見分光光度法測試。

1.6.2 納米硫化鋅的XRD測試

將雞蛋膜和火棉膠半透膜制備的硫化鋅粒子蒸發(fā)、濃縮、抽濾，用無水乙醇洗滌，再放入真空干燥箱中烘干得固體樣品，再取用適量固體粉末進行XRD測試。

2 結果與討論

2.1 硫化鋅粒子制備條件探索

不同反應時間、不同反應溫度下的硫化鋅在240 nm處的吸光度

由上表可見，最佳的制備時間是3h，溫度為60℃，此時硫化鋅粒子在240 nm處的吸光度為3.225。

2.2 納米硫化鋅的紫外-可見吸收光譜

由圖1和圖2可以看出，雞蛋膜純化的硫化鋅最高吸光度在246 nm處，吸光度為3.79，火棉膠半透膜純化的硫化鋅最高吸光度在242 nm處，吸光度為3.683。這兩種半透膜同等條件制備的納米硫化鋅的吸光度幾乎差不多，其吸收峰的位置也幾乎一樣。

2.3 納米硫化鋅的XRD圖

從圖中可以看出該物質(zhì)的衍射峰與標準圖譜可以對應的上，說明所合成物質(zhì)確實為硫化鋅粒子。

3 結論

（1）使用常規(guī)的實驗方法，探討了反應時間，反應溫度等因素對所制備的硫化鋅粒子的影響，得出了硫化鋅粒子最佳制備的時間是3h，溫度為60℃。再以自制的雞蛋膜和火棉膠半透膜來制備納米硫化鋅，使用半透膜制備的納米硫化鋅粒子通過XRD進行表征，得到自制的納米硫化鋅XRD圖譜與標準圖譜可以對上吻合，實驗結果較為理想。

（2）通過水熱法制備硫化鋅，可以讓學生很好地掌握無機材料制備常用方法之一——水熱法，鞏固了無機化合物的基本知識，增強了在無機實驗中所學的實驗技能。通過制備半透膜去進一步制備納米硫化鋅，學生可以學習新的分離手段，大大提高了他們分析問題、解決問題的能力，增強了學生學習興趣，拓寬了視野。

（3）測試硫化鋅粒子的紫外-可見光譜都是由學生自己測試表征的。XRD測試則是由實驗老師測試提供原始數(shù)據(jù)，教師指導學生使用origin軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，鞏固了他們所學的“儀器分析”這門課程中的理論知識，加強了他們對大型儀器操作能力以及分析處理數(shù)據(jù)的能力。

參考文獻：

[1]孫紅梅，賈林艷.納米硫化鋅粉體的制備及表征[J].牡丹江大學學報，2016，25（3）：147-153.

[2]劉鑫彤.硫化鋅納米材料的制備表征和光學性能的研究[D].山東大學.

[3]韓凱，諸辭，李俊杰.納米硫化鋅顆粒制備工藝與研究進展[J].世界有色金屬，2016，129-130.

[4]張炯.金屬材料組織性能改變方[J].中國新技術新產(chǎn)品，2016，（1）：78.

作者簡介：桂美芳（1987-），女，安徽池州人，理學碩士，講師，主要從事分子熒光探針應用與研究。