共沉淀法制备尖晶石NiFe2O4及其结构和形貌表征.doc

实验 共沉淀法制备尖晶石NiFe2O4及其结构和形貌表征一、 实验目的1. 掌握共沉淀法制备NiFe2O4的原理和方法。2. 了解粉末X射线衍射分析的基本原理。掌握粉末X射线衍射实验方法，利用粉末X射线衍射数据进行物相分析和计算粒径大小。3. 了解透射电子显微镜的测试原理。掌握透射电子显微镜样品制备方法，利用透射电子显微照片观察样品形貌和粒径大小。二、 基本原理NiFe2O4是重要的软磁材料，也是丁烯氧化脱氢的催化剂和具有很高催化活性及对可见光敏感的半导体催化剂。NiFe2O4还是性能优良的透明无机颜料，具有耐热、耐光、无毒和防锈等显著特点。本实验采用化学共沉淀法制备前驱体，并加热处理得到NiFe2O4产物。反应方程式如下：Ni2+ + 2OH- = Ni(OH)2 Ni(OH)2 = NiO + H2OFe3+ + 3OH- = Fe(OH)3Fe(OH)3 = Fe2O3 + H2ONiO + Fe2O3 = NiFe2O4Ni(OH)2 + 2Fe(OH)3 = NiFe2O4 + 4H2O由于每种晶体物质都有特定的晶体结构和晶胞尺寸，而衍射峰的位置及衍射强度完全取决于该物质的内部结构特点，因此每一种结晶物质都有其独特的衍射花样，即“指纹”谱。它们的特征可以用各个衍射面的面间距d和衍射线的相对强度I表征。因此，根据晶体对X射线的衍射特征（衍射线的位置、强度及数量），可以鉴定晶体物质的物相。其理论基础为布拉格（Bragg）方程：式中：d为衍射晶面的晶面间距，q为入射角度，l为X射线波长，n为正整数。X射线定性相分析是将所测得的未知物相的衍射图谱与粉末衍射卡片（PDF卡片，powder diffraction files）中的已知晶体结构物相的标准数据相比较（可通过计算机自动检索或人工检索进行），以确定所测试样中所含物相。透射电子显微镜采用高能电子束作为光源，穿透样品时根据厚度不同在荧光屏上形成明暗图像，可以对样品的相貌进行观察，并可直接判断其尺寸大小，适用于小颗粒或超薄样品。三、 仪器与试剂 1. 仪器 X射线衍射仪、透射电子显微镜、电磁加热搅拌器、烧杯、减压过滤装置，碱式滴定管、烘箱、马弗炉。2. 试剂 FeCl3 (1 molL-1)、 NiCl2 (2 molL-1)、NaOH (6 molL-1) 、蒸馏水。四、 实验步骤 1. 溶液的配置在50 ml烧杯中分别配制20 ml 1 molL-1 FeCl3 溶液、5 ml 2 molL-1 NiCl2溶液和6 molL-1 NaOH溶液。2. 纳米晶的合成将FeCl3溶液和NiCl2溶液同时滴入100 ml烧杯中，加入NaOH溶液调节混合液pH=13，得到包括化学共沉淀在内的溶液。在100加热5 min，得到红褐色沉淀。减压分离，用蒸馏水洗涤沉淀数次，置入烘箱中80oC隔夜烘干，得到浅棕红色的初始NiFe2O4纳米晶体。将其在300煅烧1h，得到330 nm 粒径的最终NiFe2O4纳米晶体。3. 结构表征：采用X射线衍射仪测试初始和最终NiFe2O4纳米晶体的X射线衍射图。NiFe2O4晶体的衍射峰为111(d1 = 0.4820 nm)、220(d2 = 0.2480 nm)、311(d3 = 0.2513 nm)、222(d4 = 0.2408 nm)、400(d5 = 0. 2085 nm)、422(d6 = 0.1702 nm)、 511(d7 = 0.1605 nm)和440(d8 = 0.1476 nm)。4. 形貌表征：采用透射电子显微镜观察最终NiFe2O4纳米晶体，通过不同放大倍数下的照片观察产物的形貌特征和粒径大小。五、 数据处理（1） 将X射线衍射实验数据进行处理，通过分析软件确定样品的物相组成。（2） 记录最终NiFe2O4纳米晶体每个衍射峰的位置（2值）和相对强度，并求出所对应的晶面间距d值。（3） 通过谢乐公式计算NiFe2O4纳米晶体的粒径大小。（4） 描述NiFe2O4纳米晶体的形貌特征，记录颗粒大小的分布范围。六、 思考题(1) 制备条件对ZnFe2O4纳米晶体的粒径大小有什么影响？(2) 将实验所得衍射线条数及相对强度与卡片中的一一对照，完全一致吗？试说明误差来源。(3) 谢乐公式计算的颗粒粒径和直接观察的颗粒粒径是否一致？试做出解释。附：1. 颗粒粒径的计算方法可采用谢乐（Scherrer）方程计算晶粒的平均大小，具体公式为式中，K为谢乐常数，一般取0.89；为X射线的波长；为衍射峰的半高宽，单位为弧度；为布拉格衍射角。需要注意的是，这里的是指样品的晶粒过小而引起的衍射峰宽化，而不是实测的衍射峰半峰宽。在实测的衍射峰半峰宽中，还包括和仪器条件有关的仪器变宽。一般可以通过内标法或外标法确定衍射