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        紡錘體形Ag/ZnO異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料的制備及表征

        2015-08-02 01:54:40張頂峰張振飛徐衛(wèi)星司曉闖河南平高電氣股份有限公司河南平頂山467000
        山東工業(yè)技術(shù) 2015年9期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料

        張頂峰,張振飛,張倩,徐衛(wèi)星,司曉闖(河南平高電氣股份有限公司,河南平頂山467000)

        紡錘體形Ag/ZnO異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料的制備及表征

        張頂峰,張振飛,張倩,徐衛(wèi)星,司曉闖
        (河南平高電氣股份有限公司,河南平頂山467000)

        摘要:本文采用一種操作簡便、成本低廉的制備方法,即微波輔助多元醇法,對預(yù)先制備的紡錘體形ZnO表面進(jìn)行修飾制得粒徑均勻的紡錘體形Ag/ZnO異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料,并對其形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,同時簡單探討了紡錘體ZnO的成形機(jī)理。

        關(guān)鍵詞:ZnO;Ag/ZnO;復(fù)合材料;異質(zhì)結(jié)

        1實(shí)驗(yàn)部分

        (1)實(shí)驗(yàn)原料及儀器:所用試劑:醋酸鋅、硝酸銀、三乙醇胺、酒精、PVP等。所用儀器:場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM);XRD為Y-2000AutomatedX-RayDiffractometer。

        (2)紡錘體形ZnO的制備:首先,配制120ml0.01M(Zn(Ac)2?2H2O)(99.9%)和0.015MNa2O2的混合溶液,室溫下磁力攪拌30min,待攪拌均勻后移至高壓釜中密封,90°C下反應(yīng)5小時后將產(chǎn)物洗滌干燥得到ZnO樣品。

        (3)Ag/ZnO異質(zhì)結(jié)的制備:將0.05g硝酸銀和7g聚乙烯吡咯烷酮依次溶于12ml乙二醇中,待溶液均勻后添加0.02g制備的ZnO,充分?jǐn)嚢韬笠浦廖⒉ǚ磻?yīng)器中反應(yīng)10分鐘。最后將反應(yīng)得到的物質(zhì)洗滌干燥,標(biāo)記為Ag/ZnO。

        2結(jié)果與討論

        2.1樣品結(jié)構(gòu)、形貌及成分分析??

        圖1不同產(chǎn)物的XRD圖譜:(a)ZnO;(b)Ag/ZnO

        圖1是實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)物的XRD圖。圖1(a)顯示該ZnO樣品的衍射峰與纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO對應(yīng)的的特征衍射峰相吻合,沒有其它雜峰出現(xiàn),說明所制備產(chǎn)物為純凈的六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO。圖1(b)Ag/ZnO樣品的XRD圖中不僅有ZnO的衍射峰,還包括面心立方結(jié)構(gòu)Ag的衍射峰。由此可以得出所制得的復(fù)合材料由纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO和面心立方結(jié)構(gòu)的Ag兩種物質(zhì)組成。

        圖2紡錘體狀氧化鋅的SEM圖(a)、(b)及能譜圖(c)

        為了分析樣品的形貌和成分,對所得的樣品進(jìn)行了SEM和EDS表征。圖2(a)、(b)為紡錘體ZnO的SEM圖像,2(c)為其能譜圖。從圖2(a)可以看出所得的氧化鋅樣品形貌規(guī)整,分散性良好,粒度均勻,呈現(xiàn)典型的紡錘體結(jié)構(gòu),中間粗兩端尖,直徑在20~100nm之間,平均長度在250nm。從圖2(b)樣品的放大圖可以看出紡錘體ZnO顆粒的表面粗糙,說明其可能是由更小的納米顆粒以一定的方式團(tuán)聚合成。圖2(c)為紡錘體ZnO樣品的EDS能譜圖,從圖中可以看出,樣品中只含有Zn元素和O元素,不含其他雜質(zhì)元素,表明所制備的樣品為純凈的ZnO顆粒。

        紡錘體狀A(yù)g/ZnO復(fù)合材料顆粒均勻,分散性好,紡錘體ZnO表面沉積金屬銀后仍保持紡錘體狀,和復(fù)合前相比,尺寸變化不大,只是表面附著許多20nm左右的銀納米顆粒。

        2.2紡錘體ZnO生長機(jī)理分析

        用醋酸鋅和過氧化鈉為原料以水熱法制備ZnO時,過氧化鈉首先與水迅速發(fā)生反應(yīng),生成氧氣和氫氧化鈉,在堿性溶液中Zn2+難以存在,與OH-發(fā)生反應(yīng)生長Zn(OH)2,而Zn(OH)2在OH-充足的條件下繼續(xù)與其反應(yīng),生成絡(luò)合離子[Zn(OH)4]2?,[Zn(OH)4]2?發(fā)生水解生成ZnO,因此,最終的形貌ZnO由其本身的晶體結(jié)構(gòu)和前驅(qū)體[Zn(OH)4]2?的特性決定,它們通過影響反應(yīng)過程中動力學(xué)和熱力學(xué)的平衡來影響ZnO晶核的形成和長大。正如所知,纖鋅礦ZnO是由Zn2+和O2-兩種離子堆積而成的六方結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出帶正電的Zn-(0001)極化面和帶負(fù)電的O-(000)極化面,以及六個對稱的非極性面。由于纖鋅礦ZnO結(jié)構(gòu)中的兩個極性面具有很高的表面能,根據(jù)Gibbs?Wulff理論,晶體將沿這兩個面上擇優(yōu)生長,使得這兩個面最終可能消失。而且,[Zn(OH)4]2?絡(luò)合離子由于自身的特性很容易被吸附在ZnO晶核的表面,有助于晶核沿[0001]方向生長。

        根據(jù)以上討論,我們提出一種紡錘體狀ZnO的生長機(jī)制。紡錘體狀ZnO在形成時可能按照“成核-團(tuán)聚-自組裝”的過程形成。首先,當(dāng)Na2O2添加到醋酸鋅的溶液中時,會產(chǎn)生大量的OH-離子,當(dāng)OH-離子達(dá)到充分濃度時,溶液中就會產(chǎn)生大量的前驅(qū)體[Zn(OH)4]2?,前軀體[Zn(OH)4]2?受熱大量水解產(chǎn)生ZnO晶核。這些晶核表面能大,非?;钴S,生成后就會快速地聚集。此外,帶負(fù)電的[Zn(OH)4]2?也會很容易地被吸附在帶正電的(0001)面上,使得晶體各面的表面能重新分配,趨于一致,進(jìn)而也改變了各面的生長速度。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,ZnO晶核在靜電力和分子間作用力下團(tuán)聚,自組裝,最后形成穩(wěn)定的紡錘體狀ZnO結(jié)構(gòu)。這個過程與紡錘體狀納米YF3相似。

        3結(jié)論

        采用微波輔助多元醇法,對預(yù)先制備的紡錘體形ZnO表面進(jìn)行修飾制得粒徑均勻的紡錘體形Ag/ZnO異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料。通過XRD 和SEM等分析測試手段比較了復(fù)合前后樣品的物相結(jié)構(gòu)、表面形貌的變化,最后簡單推斷了紡錘體形ZnO的形成機(jī)理:紡錘體狀ZnO是按照“成核-團(tuán)聚-自組裝”的過程形成,在反應(yīng)過程中形成的帶負(fù)電的[Zn(OH)4]2?能很容易地被吸附在帶正電的(0001)面上,使得晶體各面的表面能重新分配,趨于一致,進(jìn)而也改變了各面的生長速度,又在靜電力和分子間作用力共同作用下,ZnO晶核長大,團(tuán)聚,自組裝,最后形成穩(wěn)定的紡錘體狀ZnO結(jié)構(gòu)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]夏昌奎,黃劍鋒,曹麗云等.微波水熱法制備ZnO納米晶[J].人工晶體學(xué)報,2008,37(04):8332-838.

        [2張振飛,劉海瑞,張華等.ZnO/Ag微米球的的合成與光催化性能[J].高等學(xué)?;瘜W(xué)學(xué)報,2013(34):2827-2833.

        作者簡介:張頂峰(1969-),男,河南平頂山人,碩士,工程師,主要從事:復(fù)合絕緣子材料及產(chǎn)品的研發(fā)制造。

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