ZnS纳米材料的可控合成及光电性能研究.doc

ZnS纳米材料的可控合成及光电性能研究学院：班级：学号：姓名：ZnS纳米材料的可控合成及光电性能研究一、实验目的1. 了解ZnS纳米晶的结构特点、性能及用途；2. 了解并掌握缓释合成ZnS纳米晶的原理和方法；3. 了解表征纳米材料的结构及形态的基本知识；4. 了解利用光催化处理印染废水的原理和方法。二、实验原理传统的直接沉淀法制备ZnS粒子的反应过程可用以下方程式进行描述：Zn2+ + S2- ZnS对于由Zn2+和S2-直接生成ZnS的快速沉淀过程，ZnS的生成可瞬间完成，其成核速率与生长速率很快，这种方法合成的ZnS会因为初始阶段混合的不均匀性而使产物粒子尺寸分布较宽。为了避免上述现象，进来人们提出了以硫代乙酰胺（TAA）为硫源，利用均匀沉淀法来制备ZnS纳米粒子。具体设计的反应式如下：CH3CSNH2 CH3CN + 2H+ + S2- S2- + M2+ (M=Zn, Cd, Cu) MS 从上述反应过程可以看出，均匀沉淀法原理是在一定条件下制得含有所需反应物的稳定前体溶液，通过迅速改变溶液的酸度和温度来促使颗粒大量生成，由于在这个过程中反应物可以实现分子尺寸的均匀混合；同时TAA释放硫源是缓慢进行的，使得反应过程变得可控，从而避免了由于沉淀剂的加入造成沉淀剂瞬时局部过浓现象，克服了传统也想直接沉淀法制备纳米材料的不足。如果能找到一个合适的络合物，它能够与溶液中的Zn2+络合形成相对稳定的络合物前驱体，由于该络合物前驱体具有适当的稳定性，就可以实现反应物反应前贩子尺度的均匀混合。同时，通过改变外界条件，来实现Zn2+的缓慢释放，以达到TAA做硫源的相同效果。乙二胺四乙酸（EDTA）分子中具有六个可以与金属离子形成配位键的原子，它的两个氨基氮和四个羧基氧原子都有孤对电子，能与金属离子形成配位键，因此DETA能与许多金属离子形成稳定的络合物。当EDTA溶解于酸度很高的溶液中时，它的两个羧基可再接受H+而形成H6Y2+,这样EDTA相当于六元酸。由于多数金属离子的配位数不超过6，所以EDTA与金属离子形成1:1的络合物，只有极少数金属离子如锆、钼例外。因此，EDTA与Zn2+ 就不存在分布络合现象。通过合理控制外接条件，EDTA能够通过与Zn2+之间的络合作用，实现Zn2+的可控释放。大量的研究表明，尽力尺寸减小到一定程度后，光能隙蓝移，对应于更高的氧化-还原电位，因而有更强的氧化-还原能力；另外晶粒尺寸减小后光生载流子迁移到晶粒表面的时间大大缩短，有效地减少了光生电子的和光生空穴的体相复合。一次制备纳米ZnS纳米颗粒有望能够极大地提高光催化活性。近年来，荧光性半导体纳米晶和纳米团簇制备引起了人们的注意，因为这类荧光活性的纳米结构材料可望在生物传感和临床检验等领域有着潜在的应用价值，作为一个合适的生物标贴，应该具有较高的荧光效率、生物相容性以及能够与生物分子发生作用的表面基团。从光催化角度，水溶性的表面也是可取的，因为亲水性的表面有利于半导体光催化剂与水溶性染料发生充分的接触，从而提高其光催化效率。印染废水排放量大，成分复杂，对人体和环境的危害较大，印染废水的处理已成为世界各国治理水环境方面亟待解决的一大难题。目前常用的吸附法、生化法和混凝沉降法等均难以使染废水的处理达到令人满意的结果。光催化处理印染废水是一种极有前途的处理方法。三、实验材料商品名称数量规格产地EDTA250g/瓶1分析纯国药集团化学试剂有限公司硫化钠250 g/瓶1分析纯国药集团化学试剂有限公司醋酸锌250 g/瓶1分析纯国药集团化学试剂有限公司丙三醇500mL/瓶1分析纯国药集团化学试剂有限公司乙醇（无水乙醇）500mL/瓶1分析纯国药集团化学试剂有限公司氨水（氢氧化铵）500mL/瓶1分析纯国药集团化学试剂有限公司亚甲基蓝50 g/瓶1分析纯国药集团化学试剂有限公司去离子水实验仪器数量产地数显恒温水浴锅一台国华电器有限公司WQL(LKY-2)粒度仪一台上海精密科学仪器有限公司天平仪器厂物理光学仪器厂 联合制造酸度计一台分析天平一台实验仪器数量规格小量筒210mL大量桶2100mL烧杯3150mL2250mL1800mL试剂瓶3250H透明3250H棕色离心管1210mL洗耳球2胶头滴管3玻璃棒3表面皿3药匙2四、实验步骤1.ZnS纳米晶的制备(1) 试剂的配制配制0.2mol/L的Zn(Ac)2溶液500mL:称取10.98g Zn(Ac)2 溶解在250mL去离子水中；配制0.2mol/L的Na2S溶液500mL：称取12.01gNa2S 溶解在250mL去离子水中；EDTA溶液的配制：称取EDTA-NaH2O约18.61g溶解在250mL去离子水中。(2)温度因素:A：在26.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中，加入10mL的EDTA，用氨水调节PH至4.0，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶；B：在36.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中，加入10mL的EDTA，用氨水调节PH至4.0，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶；C：在46.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中，加入10mL的EDTA，用氨水调节PH至4.0，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶。(3) pH值A：在26.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中，加入10mL的EDTA，用氨水调节PH至3.5，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶；B：在26.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中，加入10mL的EDTA，用氨水调节PH至4.0，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶；C：在26.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中，加入10mL的EDTA，用氨水调节PH至4.5，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶。(4) Zn2+/EDTA的配比A：在26.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中用氨水调节PH至4.0，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶；B：在26.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中，加入10mL的EDTA，用氨水调节PH至4.0，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶；C：在26.1的水浴中，取10mL上述配制的Zn(Ac)2溶液于烧杯中，加入15mL的EDTA，用氨水调节PH至4.0，再取10mL的Na2S溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将产物离心分离，并用去离子水洗，倒在蒸发皿里，在110下干燥得到ZnS纳米晶。2.ZnS纳米晶的称重将蒸发皿中的白色物体刮下并称重。3. ZnS粒径分析使用粒度仪测定ZnS的粒径。4. ZnS纳米晶光催化活性考察将水溶性染料在室温下溶解配制成10mg/L的溶液，分别取上述三个样品各8mg，分别加入装有250mL上述溶液的烧杯中，搅拌均匀，并迅速转移至光催化反应器中，开启500W紫外光源（主波段365nm），每隔5min取样测试，于离心分离后，取上层清液使用吸光光度计测量它的吸光度值，重复5次。使用脱色率来反应整个降解过程有机染料的脱色效果，脱色率用下式表示：脱色率= (1A/A0) 100%其中A0 A分别为处理前后染料溶液在最大吸收峰处的吸收值。五、实验数据记录及处理1.温度的影响： (1)产量：温度/26.136.146.1产量/mg14.024.928.1(2)ZnS粒径分析： A：样品1（26.1）参数表前面采样周期TS1/s :1 样品名称：ZnS样品1比例形状系数K0:6 后面采样周期TS/s :2旋转流体密度DF/gcm-3 :1.00886 颗粒样品密度DS/gcm-3 :4.102旋转流体用量：V/mL :30 旋转流体粘度P/P :0.01010圆盘转速U/rmin-1 :4000微分粒度分布（样品1）分级序号粒度分级/m数目百分数/%重量百分数/%10.200-0.2501.690.1320.250-0.30013.691.0530.300-0.35016.042.2040.350-0.40015.733.5550.400-0.45013.534.7060.450-0.5009.814.9570.500-0.6006.434.4680.600-0.7008.749.4690.700-0.8005.9811.13100.800-0.9003.099.07110.900-1.0002.9013.60121.000-1.1000.563.82131.100-1.2000.463.80141.200-1.3000.363.71151.300-1.4000.283.64161.400-1.5000.213.85171.500-1.6000.215.50181.600-1.7000.000.00191.700-1.8000.000.00201.800-1.9000.2611.42211.900-2.0000.000.00222.000-2.0980.000.00平均粒径（m）:个数平均粒径：Dn=0.41 重量平均粒径：Dw=0.82 重量中位粒径：D50=0.89重量矩平均径：D43=0.82 重量比表面（m2/g）:Sw=2.10 由图知：最可几粒径：Dmd=0.95B:样品2（36.1）参数表前面采样周期TS1/s :1 样品名称：ZnS样品2比例形状系数K0:6 后面采样周期TS/s :2旋转流体密度DF/gcm-3 :1.00886 颗粒样品密度DS/gcm-3 :4.102旋转流体用量：V/mL :30 旋转流体粘度P/P :0.01010圆盘转速U/rmin-1 :4000微分粒度分布（样品2）分级序号粒度分级/m数目百分数/%重量百分数/%10.150-0.2003.160.0320.200-0.25019.361.4430.250-0.30018.852.7840.300-0.35015.534.1750.350-0.40011.635.2560.400-0.4507.975.5270.450-0.5005.485.4480.500-0.6003.985.5090.600-0.7005.6211.98100.700-0.8003.7113.53110.800-0.9002.0111.65120.900-1.0001.4012.09131.000-1.1000.749.05141.100-1.2000.274.45151.200-1.3000.193.82161.300-1.4000.092.31171.400-1.4830.030.91平均粒径（m）:个数平均粒径：Dn=0.33 重量平均粒径：Dw=0.71 重量中位粒径：D50=0.76重量矩平均径：D43=0.71 重量比表面（m2/g）:Sw=2.46 由图知：最可几粒径：Dmd=0.75C：样品3（46.1）参数表前面采样周期TS1/s :1 样品名称：ZnS样品3比例形状系数K0:6 后面采样周期TS/s :2旋转流体密度DF/gcm-3 :1.00886 颗粒样品密度DS/gcm-3 :4.102旋转流体用量：V/mL :30 旋转流体粘度P/P :0.01010圆盘转速U/rmin-1 :4000微分粒度分布（样品3）微分粒度分布（样品3）分级序号粒度分级/m数目百分数/%重量百分数/%10.150-0.2000.750.0620.200-0.25020.892.7830.250-0.30023.296.4440.300-0.35018.319.1250.350-0.40014.4511.8760.400-0.4508.9411.2270.450-0.5004.778.7480.500-0.6002.977.5990.600-0.7003.1612.29100.700-0.8001.419.44110.800-0.9000.525.43120.900-1.0000.243.92131.000-1.1000.092.25141.100-1.2000.041.17151.200-1.3000.041.35161.300-1.4000.031.56171.400-1.5000.031.93181.500-1.6000.032.83191.600-1.7000.000.00201.700-1.7130.000.00平均粒径（m）:个数平均粒径：Dn=0.31 重量平均粒径：Dw=0.46 重量中位粒径：D50=0.50重量矩平均径：D43=0.46 重量比表面（m2/g）:Sw=3.47 由图知：最可几粒径：Dmd=0.375(3) ZnS光催化活性研究温度吸光度值26.10.5450.5240.5240.5250.53236.10.6060.6120.6030.6110.60446.10.5080.5120.5160.5030.505由上图知：标准值为663nm时吸光度值为A0=0.620。A.26.1时B.36.1C.46.12.pH值的影响（1）最可几粒径：ph=3.5, Dmd =0.45 ; ph=4 , Dmd =0.41 ; ph=4.5 , Dmd =0.36（2） 脱色率：26.1, Zn2+/EDTA的配比为1:1，pH=4 时，脱色率分别为：26.11%、 27.15% 、28.24% 、29.56% 、30.01%3.Zn2+/EDTA的配比的影响(1) 最可几粒径：不加EDTA, Dmd =1.85; 1:1, Dmd =1.85; 1:1.5, Dmd =1.9(2) 脱色率：26.1，pH=4，Zn2+/EDTA的配比为1:1时，脱色率分别为：22.07%、32