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        以聚乙二醇為模板制備納米MoO3微粉

        2013-05-23 14:26:54趙延霞
        中國鎢業(yè) 2013年1期
        關(guān)鍵詞:結(jié)晶度分子量晶粒

        趙延霞

        (延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工化學(xué)系,延安 716000)

        近年來,由于納米級(jí) MoO3的優(yōu)異性能[1-2],在催化、傳感、潤(rùn)滑、化學(xué)電源等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。研究可靠、簡(jiǎn)單、重復(fù)性好且綠色的制備方法,獲得結(jié)構(gòu)、尺寸及形貌可控的納米材料,探索其特殊的物理、化學(xué)特性,已成為納米MoO3研究的熱點(diǎn)之一。納米MoO3的制備方法主要有化學(xué)沉淀法[3],溶膠-凝膠法[4],化學(xué)氣相沉積法[5],等離子體法[6],水熱法[7-8],溶劑熱法[9],離子交換法[10]等。由于水熱合成法的產(chǎn)物純度高,分散性好,粒度易控制,應(yīng)用很廣泛。

        在納米材料的制備中,可以不使用任何模板劑進(jìn)行制備[11],也可利用表面活性劑分子作模板在分散體系中形成的有序聚集體,例如膠束、反膠束、微乳相等,來控制納米粒子的形貌,制備各種納米材料[12]。實(shí)驗(yàn)以仲鉬酸銨為鉬源,采用水熱合成法,以不同分子量、不同質(zhì)量的非離子表面活性劑聚乙二醇PEG為模板劑,用冰醋酸調(diào)節(jié)合成液的酸度,進(jìn)而制備了納米級(jí)的α-MoO3。在此基礎(chǔ)上,分析PEG分子量、PEG與AHM質(zhì)量比、焙燒溫度等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,找出較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

        仲鉬酸銨[(NH4)6Mo7O24·4H2O](AHM)(金堆城鉬業(yè)科技有限責(zé)任公司鉬化學(xué)事業(yè)部),無水乙醇(分析純,安徽安特生物化學(xué)有限公司出品),冰醋酸(分析純,天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠),PEG400,PEG800,PEG1000,PEG2000(分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心),去離子水等。

        1.2 主要儀器

        PHS-25型數(shù)字酸度計(jì)(上海大普儀器有限公司);CJJ-6S數(shù)顯磁力攪拌機(jī);DHG-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司);RXL-16/12/30中溫馬弗爐(合肥日新高溫技術(shù)有限公司);SHB-III循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)。

        1.3 實(shí)驗(yàn)過程

        在室溫條件下,將4.4 g AHM溶解于37.5 g去離子水中,一定質(zhì)量、一定分子量的模板劑PEG溶入37.5 g去離子水中,二者混合,磁力攪拌。加入一定量冰醋酸調(diào)節(jié)至pH值2.76,然后轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)器在60℃陳化。經(jīng)去離子水、無水乙醇洗滌過濾,干燥和焙燒4 h后得到淡藍(lán)色或淡綠色粉末。

        1.4 檢測(cè)手段和表征

        用D/Max-3C型全自動(dòng)X射線衍射分析儀(日本Rigalcu生產(chǎn))對(duì)樣品進(jìn)行物相鑒定,測(cè)試條件:電壓 40 kV,Cu 靶,掃描速度 2°/min,掃描范圍(2θ)為5~55°。樣品的形貌用Quanta 200型環(huán)境電子掃描顯微鏡(FEI公司)進(jìn)行觀察與表征,加速電壓20 kV。中間體用Q1000DSC+LNCS+FACS Q600SDT型熱分析系統(tǒng)(美國TA公司)做了TG/DSC分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 實(shí)驗(yàn)原理

        以仲鉬酸銨為鉬源制備MoO3需在酸性介質(zhì)中進(jìn)行,反應(yīng)的離子方程式為[13]:

        根據(jù)以前的實(shí)驗(yàn)情況,曾用多種酸調(diào)節(jié)合成液的酸度,發(fā)現(xiàn)酸度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較大,如結(jié)晶度、晶粒尺寸、形貌特征等。用冰醋酸調(diào)節(jié)酸度時(shí)容易控制合成液的pH值[14],可能是配對(duì)無機(jī)陰離子吸附能力的差異引起的。所以,本系列實(shí)驗(yàn)都選用冰醋酸調(diào)節(jié)酸度,且合成液pH值為2.76。

        2.2 XRD、SEM和TG/DSC分析

        圖1 利用PEG1000作模板劑產(chǎn)物的XRD圖譜

        圖2 利用PEG1000作模板劑產(chǎn)物的SEM照片

        利用PEG1000為模板劑,PEG1000與AHM質(zhì)量比為1.14∶1。所得產(chǎn)物利用X射線衍射儀和環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析,所得的XRD圖譜如圖1所示,SEM圖譜如圖2所示。從圖1看出,XRD圖譜與標(biāo)準(zhǔn)正交相MoO3(PDF#65-2421)相吻合,表明所制產(chǎn)物為正交相MoO3,產(chǎn)物結(jié)晶良好,衍射峰尖銳,沒有雜質(zhì)峰出現(xiàn),表明產(chǎn)物較純。圖中3個(gè)強(qiáng)衍射峰2θ為 12.76°、23.32°和 27.32°,分別對(duì)應(yīng)于正交相MoO3的(200)、(101)和(210)晶面,利用 Scherrer公式計(jì)算這3個(gè)晶面方向?qū)?yīng)的晶粒尺寸分別為39.9 nm、29.1 nm和45.3 nm。說明所制備的樣品為結(jié)晶好、純度高的納米級(jí)α-MoO3。

        從圖2中觀察樣品的中間體和450℃焙燒4 h后的產(chǎn)物。圖2(a)為中間體,是層狀的微觀形貌;圖2(b)是450℃焙燒后的產(chǎn)物,為不規(guī)則小片狀,沒有特殊的形貌。

        對(duì)樣品的中間體作了TG/DSC分析,如圖3。樣品在氮?dú)鈿夥障?,升溫速?0℃/min,TG曲線顯示在280~335℃有一個(gè)失重區(qū)域,對(duì)應(yīng)于DSC曲線在327℃有一個(gè)強(qiáng)吸收峰,主要是中間體分解釋放NH3及水蒸氣,失重量為8.0%。另外,DSC曲線在786℃有強(qiáng)吸收峰,主要是生成的MoO3升華形成的。為了把模板劑去除完全,使產(chǎn)物結(jié)晶度好、純度高,實(shí)驗(yàn)選取焙燒溫度為450℃。

        圖3 氮?dú)鈿夥障轮虚g體的TG/DSC曲線

        2.3 PEG分子量的影響

        PEG有不同的分子量,實(shí)驗(yàn)中選取分子量分別為 400、800、1000 和 2000,即 PEG400、PEG800、PEG1000和PEG2000。分別以它們?yōu)槟0鍎?,取PEG與AHM質(zhì)量比為1.14∶1,60℃恒溫老化,沉淀完全的時(shí)間依次為48 h、36 h、28 h和33 h,其他條件相同。對(duì)制備的最終產(chǎn)物進(jìn)行了X射線衍射分析,并進(jìn)行比較,其XRD圖譜如圖4。與標(biāo)準(zhǔn)卡片比對(duì),4個(gè)樣品均與正交相MoO3(PDF#65-2421)吻合很好,證明4個(gè)樣品為正交相MoO3。利用Scherrer公式計(jì)算了較強(qiáng)衍射峰晶面參數(shù)為(200)、(101)和(210)方向的晶粒尺寸和最高峰的相對(duì)結(jié)晶度(表1)。從表1看出,模板劑PEG分子量不同時(shí)樣品的相對(duì)結(jié)晶度相差較大,采用PEG800制備的產(chǎn)物結(jié)晶度是采用PEG2000的3倍,采用PEG400和PEG1000制備的產(chǎn)物結(jié)晶度是PEG2000的2倍多。晶粒尺寸以PEG2000所制產(chǎn)物的為最小,其他3個(gè)樣品的晶粒尺寸大小差不多,但都在納米尺度范圍內(nèi),所以制備產(chǎn)物是正交相納米MoO3。

        圖4 PEG分子量不同所制備樣品的XRD圖譜

        表1 PEG分子量不同所制備的樣品結(jié)晶情況

        圖5是沒有焙燒的中間體掃描電鏡微觀形貌圖,基本上都為層狀的。圖6是經(jīng)450℃焙燒得到的產(chǎn)物掃描電鏡微觀形貌圖,為不規(guī)則層狀或者塊狀。其原因是由于模板劑PEG分子量不同,導(dǎo)致擴(kuò)散速率不同,形成膠束時(shí)的聚集行為不同,對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向效果略有不同。從XRD和SEM綜合來看,PEG分子量不同對(duì)產(chǎn)物的相對(duì)結(jié)晶度和晶粒尺寸影響較大,而對(duì)微觀形貌影響較小。實(shí)驗(yàn)中選定PEG1000進(jìn)行深入研究。

        圖5 PEG分子量不同所制備的中間體的SEM照片

        圖6 PEG分子量不同所制備的產(chǎn)物的SEM照片

        2.4 PEG1000與AHM質(zhì)量比的影響

        選取PEG1000為模板劑,調(diào)節(jié)其質(zhì)量,使其與AHM質(zhì)量比不同(下稱“質(zhì)量比”),制備了一組樣品。通過X射線衍射儀分析,得到XRD圖譜(圖7),該圖譜和正交相MoO3相吻合(PDF#65-2421),證明所合成的樣品為正交相三氧化鉬。根據(jù)Scherrer公式,計(jì)算了主要衍射峰的晶粒尺寸和衍射最強(qiáng)峰的相對(duì)結(jié)晶度(表2)。從表2數(shù)據(jù)看出,相對(duì)結(jié)晶度差別較大,質(zhì)量比為4.55∶1時(shí)相對(duì)結(jié)晶度最小,而質(zhì)量比為1.82∶1時(shí)最大,是前者的2倍多。同時(shí)從表2看出,在考察范圍內(nèi),質(zhì)量比為1.37∶1時(shí)晶粒尺寸最小,其次是質(zhì)量比4.55∶1時(shí)較小,而質(zhì)量比為1.82∶1時(shí)晶粒尺寸最大。

        圖7 質(zhì)量比不同所制備樣品的XRD圖譜

        表2 質(zhì)量比不同所制備樣品晶粒尺寸和相對(duì)結(jié)晶度

        圖8為最終產(chǎn)物掃描電鏡微觀形貌圖。經(jīng)450℃焙燒4 h后,只有質(zhì)量比為1.82∶1時(shí)為很規(guī)則MoO3的納米棒,其他的都為不規(guī)則的小圓片,而且黏在一起不分散。

        實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量比為1.82∶1時(shí),比其他質(zhì)量比時(shí)出現(xiàn)沉淀時(shí)間較晚,但是沉淀增加較快,而且看起來細(xì)密,最終形成沉淀的量明顯比其它的多。其原因可能是由于PEG1000質(zhì)量不同引起濃度不同,在合成液中形成膠束的快慢和膠束的大小、多少不同,膠束的擴(kuò)散情況也不同,造成晶體的晶粒尺寸、相對(duì)結(jié)晶度和微觀形貌的不同。

        圖8 模板劑PEG1000與AHM質(zhì)量比不同所制MoO3的SEM照片

        2.5 焙燒溫度的影響

        選擇PEG1000與AHM質(zhì)量比為1.82∶1,制備的中間體進(jìn)行不同溫度的焙燒,產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射分析,其XRD圖譜如圖9所示。與標(biāo)準(zhǔn)卡片比較,圖譜與PDF#65-2421吻合很好,表明制備的產(chǎn)物為α-MoO3。根據(jù)Scherrer公式,計(jì)算了主要衍射面(200)、(101)和(210)的晶粒尺寸(表3),都小于 60 nm,即產(chǎn)物為納米級(jí)α-MoO3。由圖9看出,焙燒溫度為400~550℃時(shí),100%的衍射峰為(210),而600℃焙燒所得的100%峰為(400),且其100%峰的強(qiáng)度比其他產(chǎn)物100%的峰大很多,是400℃焙燒所得的100%峰的4.9倍,表明焙燒溫度越高,制備的MoO3結(jié)晶度越高。

        圖9 不同溫度焙燒所得MoO3的XRD圖譜

        表3 焙燒溫度不同所制備α-MoO3的晶粒尺寸

        觀察上述MoO3的微觀形貌,其SEM照片如圖10所示。從圖10看出,400℃焙燒所得MoO3為不規(guī)則層狀聚集體,500℃的為長(zhǎng)徑比較均一的MoO3納米棒,550℃的為不規(guī)則的MoO3納米棒,600℃的為長(zhǎng)徑比較大的、不均一的MoO3納米棒。結(jié)合圖8(b),表明焙燒溫度對(duì)產(chǎn)物形貌影響較大,在實(shí)驗(yàn)所考察的條件下,焙燒溫度以450~500℃為佳。

        圖10 不同溫度焙燒中間體所得MoO3的SEM照片

        3 結(jié)論

        (1)以仲鉬酸銨為鉬源,以PEG為模板劑,冰醋酸調(diào)節(jié)酸度為2.76時(shí),成功制備了納米級(jí)正交相三氧化鉬(α-MoO3)。

        (2)當(dāng)PEG與AHM質(zhì)量比一定時(shí),PEG分子量不同,對(duì)產(chǎn)物的相對(duì)結(jié)晶度和晶粒尺寸影響較大,而對(duì)微觀形貌影響較小。

        (3)PEG 分子量一定(PEG1000)而與 AHM 質(zhì)量比不同時(shí),相對(duì)結(jié)晶度和晶粒尺寸各有不同,但是差別不是很大。從微觀形貌方面看,PEG1000與AHM質(zhì)量比為1.82∶1時(shí)明顯與其他的不同。

        (4)PEG1000 與AHM 質(zhì)量比為 1.82∶1 時(shí),焙燒溫度不同,則對(duì)晶粒尺寸、結(jié)晶度和微觀形貌影響較大。

        (5)在本實(shí)驗(yàn)條件下,以PEG1000為模板劑,PEG1000與AHM質(zhì)量比為1.82∶1時(shí),焙燒溫度為450~500℃,是較為優(yōu)化的條件。

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