介紹一個材料化學專業實驗—PtCo納米管的制備

羅保民

(南陽師范學院 化學與制藥工程學院，河南 南陽 473061)

材料化學專業旨在培養掌握化學和材料科學方面的基本理論、基本知識和基本實驗技能的專業人才。實驗教學環節是材料化學專業人才培養的一個重要環節，主要培養學生的基本實驗技能和利用理論知識分析實驗現象的能力。隨著時代的發展，各種具有新奇特性的材料不斷被發現，新的制備技術也不斷涌現，這就要求我們不斷更新材料化學專業的實驗課教學內容，以使學生了解最新的科研動態、實驗方法和技術，跟上時代發展的步伐。

一維貴金屬納米材料由于其優異的催化性能使其在燃料電池領域得到了廣泛的關注[1-5]。一維貴金屬催化劑的制備方法主要由電沉積法和置換反應法[1-5]，其中置換反應法由于其簡單高效的特點近些年來得到了廣泛的應用。本文結合作者本人的科研工作[1]以及所承擔的理論課《材料科學基礎》的教學內容設計了“PtCo納米管的制備”實驗，通過讓學生分析納米管的形成機理使學生加深了對“固相反應”和“擴散”兩章相關內容的理解和掌握，鍛煉了學生應用理論知識分析實驗現象的能力。

1 實驗目的

(1)掌握利用置換反應制備PtCo納米管的原理和方法；

(2)學會利用“固相反應”和“擴散”兩個章節的相關知識解釋納米管的形成機理；

(3)掌握冷凍干燥機的使用方法。

2 實驗原理

鑒于Co納米粒子在水溶液中會與氧氣反應，該反應全程需要氮氣保護，實驗裝置如圖2所示。三口燒杯一個口作為進氣口，一個作為加料口，一個作為出氣口。出氣口由一個直角導氣管加一段乳膠管組成，乳膠管末端放入盛有水的燒杯中，這樣可以使反應體系保持微正壓，防止反應過程中空氣的進入。

所制備的納米管的典型形貌如圖3的透射電子顯微鏡(TEM)所示(圖中標尺為50 nm)，可以看到樣品中間顏色淺，邊緣顏色深，表明了其為管狀結構。

圖1 PtCo納米管的制備原理圖

圖2 實驗裝置圖

圖3 PtCo納米管的透射顯微鏡照片

3 實驗試劑和儀器

3.1 試劑

氯化鈷、檸檬酸鈉、硼氫化鈉、氯鉑酸。

3.2 儀器

燒杯、移液管、圓底燒瓶、空心玻璃塞、直形導氣管、直角導氣管、梭形磁子、磁力攪拌器、電子天平、自制氮氣保護裝置、砂芯抽濾裝置、循環水式真空泵、冷凍干燥機。

4 實驗步驟

將裝有梭形磁子的500 mL圓底燒瓶固定于磁力攪拌器上，并開啟攪拌器。依次加入200 mL蒸餾水、71 mg檸檬酸鈉、20 mL氯化鈷溶液(濃度為12×10-3mol/L)。依次打開氮氣減壓閥、穩壓閥、球閥，通過調節各閥門的開度調節進入反應體系的氣流速度。通過直形導氣管向溶液中通入氮氣以排除溶液中的氧氣。通氮氣15min后，加入新鮮的NaBH4溶液(18.2 mg NaBH4+10 mL蒸餾水)，反應30 min。反應方程式為：

4CoCl2+NaBH4+H2O → 4Co+B(OH)3+NaCl+7HCl。

加入0.0193 mol/L氯鉑酸溶液7 mL，反應時間為30min。通過抽濾的方式獲得產品，采用砂芯抽濾裝置和水系濾膜抽濾，獲得的濾餅要用大量蒸餾水洗滌。干燥采用冷凍干燥，冷凍干燥機的原理和使用參看我們之前發表的文章[6]。

5 思考題及參考答案

(1)分析納米管的形成機理。

答：當氯鉑酸加入Co納米線中后，立即在Co納米線表面生成一層Pt殼，此Pt殼的生成阻礙了Co原子和氯鉑酸的接觸，使其不能反應。內部的Co通過擴散穿過Pt殼層到達表面，然后與氯鉑酸繼續反應，這個過程如圖4所示。由于Co不斷擴散出來，最后形成空心的結構。擴散的機理可能為空位擴散機理和環形換位機理。由于Co相對于氯鉑酸過量，會有一定量的Co剩余，剩余的Co與Pt形成合金。

圖4 PtCo納米管的形成過程

(2)實驗過程中反應液的顏色是如何變化的？濾液應該是什么顏色？

答：未加硼氫化鈉時，由于體系中有Co2+，所以顯淡粉色，當加入硼氫化鈉后由于生成納米級Co線而顯黑色，當加入氯鉑酸時，黑色加重，但隨著反應進行，生成的PtCo管會有些團聚，導致顏色變淺。最后的濾液中因含有Co2+而顯淡粉色。