朱春玲，劉巖峰

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

鉬酸鐵具有良好的催化特性，可以催化丙烯生產(chǎn)環(huán)氧丙烷［1］，另外，還可以用來制作氣敏傳感器檢測乙醇和硫化氫等［2］。鉬酸鐵在工業(yè)上一般采用共沉淀方法制備，制備條件對其催化等性能的影響較大［3－4］。納米材料具有較大的比表面積，因此有利于提高其物理化學性能，但是，納米材料一般團聚現(xiàn)象較為明顯，會顯著影響其性能的穩(wěn)定性。如果將納米材料生長在其他一維納米材料的表面，形成納米異質結構，可以有效地抑制其團聚現(xiàn)象的產(chǎn)生［5－8］。通過設計實驗，尋找具有特定物理化學特性的一維納米材料作為支撐材料，發(fā)揮它們的共性，即協(xié)同效應，可以進一步提高納米催化劑的催化特性。本文將納米鉬酸鐵生長在一維氧化鉬納米棒的表面，可以顯著提高它們的催化特性［2］。

為了提高學生的實驗技能，培養(yǎng)學生進行綜合實驗的能力，為今后的科研實踐打下堅實基礎，設計了本綜合實驗，實驗既包括化學合成方法，如水熱法和溶劑熱法等，也包括材料的形貌結構的表征手段，如晶格結構的測試和形貌尺寸的表征等，因此，有助于提高學生的綜合實驗能力，可以使學生學會統(tǒng)籌安排實驗。

1 實驗

1.1 主要試劑與儀器

鉬酸銨，硝酸鐵，硝酸，雙氧水，水浴裝置，機械攪拌器，離心機，X射線粉末衍射儀，掃描電子顯微鏡。

1.2 實驗方法

實驗中所使用的一維氧化鉬納米棒采用水熱方法制備，參見參考文獻［9—11］。具體實驗步驟為：將鉬酸銨在空氣氣氛下，500℃退火4h，得到氧化鉬粉末。稱量7.5g氧化鉬粉末，加入50mL雙氧水，27mL濃硝酸，170mL蒸餾水，攪拌6h以上至形成透明黃色溶液，靜止4d以上。取35mL上述溶液，置于高壓釜內膽內，密封高壓釜，170℃反應24h。待高壓釜冷卻到室溫后，將內膽中的襯底用水清洗數(shù)次，干燥得到一維氧化鉬納米棒。

取0.075g克氧化鉬納米棒，將其分散到100mL水中，加入0.3g硝酸鐵，在機械攪拌下，水浴50℃反應2h，然后離心分離沉淀。將所得到的沉淀，在空氣氣氛下，500℃退火4h，得到鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構。

2 結果與分析

2.1 XRD和SEM測試結果

圖1為所獲得的鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構的X射線衍射圖譜。通過對比標準數(shù)據(jù)庫（卡片號JCPDS 83－1701），圖中用 “＊”標出的衍射峰均來自單斜鉬酸鐵晶體，而沒有標出的衍射峰均來自斜方晶系的氧化鉬（卡片號JCPDS 35－0609）。因此，從X射線衍射分析結果可以看出，利用本方法可以獲得晶態(tài)的鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構。

圖1 鉬酸鐵／氧化鉬復合納米結構的XRD測試結果

利用掃描電鏡對鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構進行微觀結構分析，如圖2所示。從圖中可以看出，鉬酸鐵納米顆粒均勻生長在氧化鉬納米棒表面，其平均直徑約80nm。同時，一維氧化鉬的形貌保持的較好。

圖2 鉬酸鐵／氧化鉬復合納米結構的掃描電鏡圖

2.2 硝酸鐵加入量的影響

首先研究了硝酸鐵加入量對產(chǎn)物的影響。將硝酸鐵的量進行調整，加入量分別為0.1g和0.6g，獲得的產(chǎn)物利用掃描電鏡進行微觀結構分析。圖3（a）為0.1g硝酸鐵加入量獲得的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，鉬酸鐵納米顆粒不是很均勻地生長在一維氧化鉬納米棒表面上，且有的顆粒的直徑超過了200nm。圖3（b）為0.6g硝酸鐵加入量獲得的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。可以看出，鉬酸鐵顆粒較均勻，但其生長的密度較大。研究表明，較大的顆粒尺寸和較大生長密度對鉬酸鐵的催化性能均會產(chǎn)生負面影響［2］。因此，硝酸鐵的加入量控制在0.3g獲得的產(chǎn)物較好。

圖3 不同硝酸鐵加入量對鉬酸鐵納米顆粒的影響

2.3 反應時間的影響

反應時間是制備產(chǎn)物的重要因素，反應時間如過長降低生產(chǎn)效率。因此，在實驗過程中，改變反應時間來尋找合適的參量是必要的。圖4（a）為反應時間為1h獲得的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，一維氧化鉬納米棒表面生長的鉬酸鐵顆粒較少，顆粒尺寸約50nm，見圖4（a）中的插圖。但是，如果增加反應時間，一維氧化鉬納米棒的形貌會遭到嚴重破壞，且鉬酸鐵的顆粒也不均勻，見圖4（b）及其插圖。因此，可以看出反應時間控制在2h獲得的產(chǎn)物較好。

圖4 不同反應時間對鉬酸鐵納米顆粒的影響

2.4 反應溫度的影響

反應溫度對化學合成樣品的形貌和物理化學特性也具有重要的影響［11－12］，因此，改變反應溫度研究產(chǎn)物形貌等的變化。圖5（a）為反應溫度為40℃獲得的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，一維氧化鉬納米棒形貌保持的較好。同時，氧化鉬納米棒表面生長的鉬酸鐵顆粒較均勻，顆粒尺寸小于50nm，見圖5（a）中的插圖。但是，根據(jù)能譜分析結果可知，相對于50℃獲得的樣品相比，鉬酸鐵的含量較少（見表1）。如果反應溫度增加，鉬酸鐵的含量會顯著增加（見表1），但是，一維氧化鉬納米棒的形貌會遭到嚴重破壞，導致部分鉬酸鐵的顆粒脫離氧化鉬表面，如圖5（b）所示。因此，可以看出反應溫度控制在50℃將會獲得較佳的異質結構。

圖5 不同溫度加入量對鉬酸鐵納米顆粒的影響

綜合上述實驗結果（見表1），可以得出制備鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構的最佳實驗條件：反應溫度50℃，反應時間2h，硝酸鐵加入量0.3g。

表1 不同反應時間獲得的鉬酸鐵／氧化物異質結構中鐵與鉬的原子含量比

3 結論

在本論文中，將科研成果轉化為學生可以實際操作的綜合性實驗，該實驗既涉及到材料簡單、容易操作的合成方法，又含有多種表征手段，既包含化學知識，又涉及到材料的相關內容。通過本綜合實驗，可以實現(xiàn)在一種材料上面通過簡單的方法包覆上其他的物質，并找到最佳的合成條件，為學生今后做科學研究奠定了基礎，也可以提高學生進行化學實驗的興趣。

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