1、 1 毕业设计 开题报告 高分子材料与工程 棒状氧化锌的“绿色”合成及性能表征 一、选题的背景、意义 随着纳米科学的发展，人类对自然的认识进入到一个新的层次。材料的新性质被逐渐发掘、认识，新的理论模型被提出。著名学者钱学森院士预言：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是二十一世纪的又一次产业革命”。纳米 ZnO具有优异的光、电、磁性能，在当今一些材料研究热点领域表现活跃。与普通 ZnO 相比，纳米ZnO 颗粒尺寸小，微观量子效应显著，展现出许多材料科学家渴望的优异性质，如压电性，荧 光性，非迁移性，吸收和散射电磁能力等。大量科研工作集中于纳米 ZnO
2、材料的制备，掺杂和应用等方面。制备均匀、稳定的纳米 ZnO 是首要任务，获得不同形貌的纳米结构，如纳米球、纳米棒、纳米线、纳米笼、纳米螺旋、纳米环等，将这些新颖的纳米结构材料所具有的独特性能，应用到光电、传导、传感，以及生化等领域，取得了可喜的成 绩 1-3。世界各国相继大量投入，开发和利用纳米 ZnO 材料，使其在国防，电子，化工冶金，航空，生物，医学和环境等方面具发挥更大的作用。 ZnO是最早使用的气敏材料，具有价格便宜、易于制备和性能稳 定等优点，缺点是工作温度较高 (约 400 )，选择性、稳定性不好 4-7。因此，寻找先进的制备 ZnO的工艺、提高其气敏性能是目前该领域研究的重点。目
3、前制备方法主要有热蒸发、溅射法、水热法、共沉积法 8-11等物理和化学方法。其中水热方法因其反应温度低，反应速度快等优点已经在合成材料领域广为应用。但其最大的缺点就是每次水热反应都会产生大量的滤液，既浪费了原料，又对环境造成污染，不利于水热法在工业上应用。本项目试图重复利用 水热合成母液。以棒状 ZnO的制备为例，如果能够对滤液进行专门处理和重复利用，不仅可以节约 30 40的成本，而且除了得到棒状 ZnO之外，并无其他物质排放，这方面的研究至今未见报道。 二、相关研究的最新成果及动态 2.1 简易的低温液相法，以 2种不同的锌源合成了不同形貌的氧化锌纳米棒结构 2.1.1 以 Zn(Ac)2
4、2H2O为锌源合成 ZnO纳米棒 2 将 1.1 g Zn(Ac)22H2O溶解在 40 mL蒸馏水中， 2 mL NH3H 2O用 40 mL蒸馏水稀释，然后将配制的 Zn(Ac)2溶液逐滴添加到 NH3H 2O溶液中，得到白色的悬浊液。将白色的悬浊液转入 250 mL的圆底烧瓶中在 80 水浴中反应 6 h，得到白色沉淀。分别用水和无水乙醇将所得沉淀物洗涤数次至中性，在 60 下干燥 10 h。 2.1.2 以 Zn(NO3)26H2O为锌源合成 ZnO纳米棒 将 30 mL4 molL-1 NaOH溶液和 5 mL 0 2molL-1 十二烷基硫酸钠 (SDS)溶液先后逐滴加人到20 m
5、L lmolL-1 Zn(NO3)26H2 O溶液中，再加入 45 mLH2O，得 100 mL澄清溶液。使用冰块调节水浴温度为 3 ，然后在 3 强力搅拌 30min，再在室温下持续搅拌 1.5 h，得到白色悬 浊液。将悬浊液移至 250 mL的圆底烧瓶中，在 85 下反应 5 h，得到白色沉淀物。将所得沉淀物分别用水和无水乙醇洗涤数次至中性，最后在 60 下干燥 10 h。 2.2 水热法制备棒状氧化锌 将 1g的 P123溶于 20 mL去离子水中，加入 0.13 gZnCl2不断搅拌使其分散均匀，再加入 1 g氢氧化钠，搅拌溶解，继续搅拌 30 min，得到均匀溶液。将该溶液引入 25
6、 mL的高压釜中，螺钉旋紧密封，并置于烘箱中，在 180 条件下保温 12 h。关掉烘箱电源，使高压釜自然冷却至室温，即可获得一定量的沉淀产物。 过滤，滤液保留，编号 1。粉末经过水和无水乙醇离心洗涤若干次后，置于 100 烘箱中烘干，得到固体粉末样品 1。 利用上述滤液 1，继续下面的反应：向过滤分离出来的滤液 1中加入 0.13 g ZnCl2，按上述条件进行水热反应，可以得到样品 2； 按照类似的方法，向滤液 1中加入 0.13 g ZnCl2和 0.117 g NaCl固体 （ 即加入 10倍于滤液 1中所含 NaCI的量，模拟滤液重复利用 10次后的环境 ） 并进行水热反应，则可以得
7、到样品 3。 该制备方法的特点在于，只须在第一次实验时使用少量的表面活性剂，在后续的实验中利用前 次实验产生滤液，只充消耗掉的 Zn2+和 OH-即可 (由于体系 OH-过量较多，损失部分可以忽略不补 )，该方法充分利用了反应原料，理论上最终副产物就是 NaCI和水，整个过程可以实现零排放，是一个环境友好的一维 ZnO制备方法。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线及研究难点，预期达到的目标 3.1 课题的研究内容及拟采取的研究方法 3.1.1 氧化锌纳米棒的制备 3 论文 采用氯化锌、氢氧化钠为原料， Zn(OH)42-为前驱体，借助聚合物 PVA的调控作用，在水热条件下，合成棒状
8、 ZnO一维结构，重点研究滤液 的重复利用问题，开发 “ 绿色 ” 水热法制备纳米材料的一种新方法。 3.1.2 氧化锌纳米棒的 表征 XRD： X射线照射晶体，电子受迫振动产生散射：同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波。晶体具有平移对称性，各原子散射波之间存在固定相位关系而产生干涉作用，在特定方面发生相长干涉，相长干涉的条件满足著名的布拉格方程： 2dsin=n 衍射图谱是晶体内各原子相干散射波叠加的结果，携带晶体结构信息，通过对晶体 XRD图的分析，了解晶体性质。 物 相分析：组成物质的各种都有各自特定的晶体结构，也可以说具有特定的 XRD图谱。测得物质的 XRD图，与标准 PDF
9、卡比对，确定物相。同时根据衍射峰的 强度，可以确定材料中的含量。 对于材料科学的研究而言， TEM已经成为一种不可或缺的研究工具，以致于在今天，己经很难想像如果没有 TEM的帮助，我们该如何深入开展材料科学的研究工作。透射电镜是以波长极短的电子束做辐射源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨、高放大倍数的电子光学仪器。它可以直接对纳米材料的形貌、结构进行观察，获取直观的信息 12。 实验 制备的样品 拟 采用 DX-2600型 X射线粉末衍射仪（铜靶， = 1.5406）确定产物的晶相结构。 采用 JEM2010型透射电子显微镜（ TEM）进行形貌表征。 采用 日立 F 4500型荧光分光光度计
10、在室温下测定样品的光致发光（ PL）谱。 3.2 难点 实验中要保证 聚合物 PVA 的充分溶解，以及要避免滤液的损失。 3.3 预期达到的目标 用溶剂热合成法制备 ZnO 纳米棒，测其性能。 四、论文详细工作进度和安排 2010 年 11 月 18 日 2010 年 12 月 31 日 完成毕业论文过程材料（文献综述、开题报告、外文翻译） 2011 年 1 月 1 日 2010 年 4 月 9 日 样品的制备工作 2011 年 4 月 10 日 2011 年 4 月 30 日 结果表征及讨论 2011 年 5 月 1 日 2011 年 5 月 18 日 整理毕业论文 4 2011 年 5 月
11、 19 日 毕业论文答辩 准备毕业论文答辩材料 五、主要参考文献 1 C.N.R.Rao, F.L. Deepak, Gautam Gimdiah, A.Govindaraj. Inorganic nanowiresJ. Progress in Solid State Chemistry, 2003, 31: 5-147 2 M.Hernandez-Velez. Nanowires and lD arrays fabrication: An overviewJ. Thin Solid Films, 2006, 495: 51-63 3 Y.J.Chen, M.J.Cao, T.H.Wang a
12、nd Q.Wan. Appl. Phys. Lett., 2004, 84: 3367. 4 徐甲强 , 王焕新 , 张建荣等 . 微波水解法制备纳米 ZnO及其气敏特性研究 J. 无机材料学报 , 2004, 19(6): 1441-1445. 5 戴护民 , 桂阳海 . 氧化锌光、气敏性能研究 J. 材料导报 , 2006, 20(5): 21. 6 桂阳海 , 张勇 , 徐甲强等 . 气敏元件室温光激发气敏性能研究 J. 电子元件与材料 , 2008, 27(2): 13-22. 7 Avale S C, Ravi V, Mulla I S, et al. Low temperature
13、 synthesis and Nox sensing properties of nanostructured Al-doped ZnOJ. Sens Actuat B, 2007, 126(2): 382-386. 8 Pan Z W, Dai Z R, Wang Z L. Nanobelts of semiconducting oxidesJ. Science, 2001, 291: 1947- 1949. 9 Zhang J, Yu w Y, Zhang L D. Fabrication of semieondueting ZnOnanobelts using a halide sour
14、ce and their photoluminescence propertiesJ. Phys, Lett., 2002, 299: 276-281. 10Zhang X Y, Dai J Y, Ong H C, et al. Hydrothermal synthesis of oriented ZnO nanobeIts and their temperature dependent photoluminescenceJ. Chem. Phys .lett. 2004, 393: 17-21. 11Choopuna S, Hongsitha N, Tanunchaia S, et al. Single-crystalline ZnO nanobelts by RF sputtering J. J Cryst Growth, 2005, 282: 365-369 12赵家政 , 徐涛 . 分析电子显微镜使用手册 . 宁夏人民出版社 , 1996
