水熱法制備ZnO納米棒10092629朱曉清10092632蔣楨一、實驗目的：1、掌握水熱合成方法。2、掌握晶體分析方法。二、實驗原理：壓強是高壓釜內填充度、溫度的函數，提高壓強會提高成核速率，有利于粉體的產生，粉體粒徑較小。根據公式（1）P1V=nRT(1)P2=P0(2)P=P1+P2=nRT/V+P0(3)式中：P1——T溫度時高壓釜內空氣的壓強；P2——T溫度時高壓釜內水的壓強；P——T溫度時高壓釜內的總壓強；P0——T溫度時水的飽和蒸汽壓；V——高壓釜內氣體體積。可以看出在一定的水熱溫度下，壓強的大小依賴于反應器中的原始溶劑的填充度。反應釜內的壓強隨填充度增大而升高。ZnO納米棒的形成過程可以分為兩個階段：第一階段是成核階段，第二階段是生長階段。具體的形成過程可以用下列反應式表示：Zn2++2OH-→Zn(OH)2(4)(CH2)6N4+10H2O→6HCHO+4NH3·H2O(5)NH3·H2O?NH4++OH-(6)Zn2++4NH3→Zn(NH3)42+(7)Zn(OH)2→ZnO+H2O(8)Zn(OH)42-→ZnO+H2O+2OH-(9)當將氫氧化鈉滴入含有Zn2+的水溶液中，邊滴入邊攪拌，溶液變渾濁，這是由于有Zn(OH)2白色膠體生成(見反應式4)，同時六次甲基四胺水解產生的氨水（見反應式5），作為螯合劑通過和Zn2+結合而形成胺化合物Zn(NH3)42+（見反應式7），而溶液中生成的Zn(OH)42-為這個過程提供了條件，在這種溶液環境下，一部分的Zn(OH)2膠體分解成Zn2+和OH-，當Zn2+和OH-的濃度大到超過某個臨界值時，就會有大量的ZnO晶核形成，那么最終的晶體生長過程就開始了（見反應式8和9）。方法一（首選）三、實驗儀器和試劑：1、儀器：超聲清洗機，燒杯，水熱合成反應釜，鼓風干燥箱，XRD衍射儀，掃描電子顯微鏡，紫外可見分光光度計。2、試劑：銅襯底，丙酮，無水乙醇（C2H5OH，分析純），去離子水，硫酸鋅（ZnSO4·7H2O，分析純），氫氧化鈉（NaOH，分析純），六次甲基四胺（又名HMTA，C6H12N4，分析純）。四、實驗步驟：1、銅襯底的清洗清洗的目的是為了去掉襯底表面的油漬、臟物和表面雜質等，使其表面光亮平滑，避免雜質及缺陷在納米棒生長過程中對納米棒的形貌產生影響。具體的清洗過程如下：(1)將大小約為1cm×1cm的銅襯底放入盛有乙醇的燒杯中，在超聲儀中超聲10分鐘。(2)取出襯底片，放入丙酮中超聲10分鐘。(3)取出襯底片，放入乙醇中超聲10分鐘。(4)最后再用去離子水超聲一次，并經流動的去離子水反復沖洗后，用洗耳球小氣流吹干。2、在銅襯底上制備ZnO納米棒步驟：將0.0056mol硫酸鋅溶于35mL去離子水中配制成溶液，同時按Zn2+與OH-摩爾比值1:8將0.056mol氫氧化鈉溶于35mL去離子水中;在磁力攪拌條件下，將氫氧化鈉溶液逐滴滴加到硫酸鋅的溶液中;持續攪拌10min后，將0.50g六次甲基四胺加入到上述溶液中并持續磁力攪拌10min;然后將混合溶液轉移到內襯為聚四氟乙烯的反應釜中，將第一步中清洗的銅襯底垂直放置（如圖1所示）。在90℃下保溫9h后讓爐子自然冷卻至室溫;將得到的白色沉淀用去離子水和無水乙醇離心洗滌5次;最后，在真空干燥箱中于60℃下干燥6h(或置于鼓風干燥箱中干燥)圖1銅襯底垂直放置3、樣品的表征：(1)采用X射線衍射儀（XRD）對樣品進行物相分析，銅靶Kα射線（36kV,20mA,λ=0.15418nm）,掃描速率4°/min，掃描范圍10°～90°；(2)采用掃描電子顯微鏡（SEM）【無】觀察樣品的形貌，加速電壓為20kV；(3)利用紫外可見分光光度計測試亞甲基藍的吸光度。【該實驗暫時不做】點評：方案可行，成績A-；實驗室無銅襯底。方法二（備選）三、實驗儀器和試劑：1、實驗儀器：超聲清洗機，燒杯，電子天平，水熱合成反應釜，鼓風干燥箱，XRD衍射儀，掃描電子顯微鏡，紫外可見分光光度計。2、試劑：銅襯底，丙酮，無水乙醇（C2H5OH，分析純），去離子水，二水合乙酸鋅（Zn(Ac)2.2H2O，分析純），氨水（NH3.H2O，分析純）。四、實驗步驟：1、襯底的清洗（方法同一）。2、在銅襯底上制備ZnO納米棒步驟：配置濃度為0.027mol/L的二水合醋酸鋅(Zn(Ac)2.2H2O分析純)的去離子水溶液，后滴入氨水，邊滴入氨水邊用玻璃棒攪拌，將溶液的pH值調至10左右，使其呈弱堿性，得到反應用的水熱溶液。將水熱溶液倒入反應用高壓釜中，將前面1中清洗好的Cu襯底面朝上完全浸入上述水熱溶液當中，然后將高壓釜放入烘箱中，在溫度95℃下反應6小時，然后將高壓釜取出。等高壓釜自然冷卻后將樣品取出，用去離子水反復沖洗表面去掉多余的離子和胺鹽，在空氣中自然晾干3、樣品的表征(方法同一)。五、實驗方案討論：方法一中的是直接加入氫氧化鈉，提供OH-離子，再通過六次甲基四胺水解提供NH4+離子，繼而形成Zn(NH3)42+；而方法二是通過氨水的水解同時提供OH-和NH4+兩種離子，在實驗過程中還要調節pH。文獻查得大多是采用氨水與鋅鹽反應，而與NaOH反應的方法相對比較新，而且考慮到不用時時觀察pH值等因素，我們將第一種方法作為首選的方法，而將第二種作為備選方案。六、參考文獻[1].王娜.GaN/Al2O3襯底上ZnO納米棒的水熱法生長[D].湖北：華中科