共沉淀法制备的铁酸锌纳米材料的晶化与晶粒生长行为_图文

1、 文章编号 :16732095X (2007 0620036203共沉淀法制备的铁酸锌纳米材料的晶化与晶粒生长行为叶 琳1, 2, 段月琴1, 2, 袁志好1, 2(1. 天津理工大学 纳米材料与纳米技术研究中心 , 天津 300191; 2. 天津市光电显示材料与器件重点实验室 , 天津 300191摘 要 :采用共沉淀法合成了纳米铁酸锌粉体 , 并对所制粉体在 1001000 不同温度下进行热处理 , 用 TE M 、XRD 等手段对所制备的纳米铁酸锌晶体进行了表征 , 并对纳米铁酸锌晶体的晶粒生长进行了探讨 . 结果表明 , 具有尖晶石结构的铁酸锌纳米晶在共沉淀反应时就已形成 , 但晶粒

2、的尺寸较小 ; 随着热处理温度的进一步升高 , 晶粒迅 速长大 , 粒径的尺寸分布在 530n m; 当热处理温度升至 1000 左右时 , 晶粒尺寸已达微米数量级 . 对照 TE M 和XRD 测量结果 , 表明所制备的铁酸锌纳米粉颗粒为单晶颗粒 .关键词 :铁酸锌纳米材料 ; 共沉淀 ; 晶粒生长 中图分类号 :T Q138. 1 文献标识码 :APrepara ti on of nanosi n ti L in, 2qin1, 2, Y UAN Zhi 2hao1, 2(1. and ogy Research Center, Tianjin University of Technol o

3、gy, Tianjin 300191, China;2. Tianjin Key Subject f orMaterials Physics and Chem istry, Tianjin 300191, China Abstract:The nano 2sized zinc ferrite powder was p repared by the method of co 2p reci p itati on . The powder was fared at the te mperature of 1001000 . W ith the TE M and XRD analysis, the

4、results show that the nanocrystalline zinc ferrite ma 2terials was s p inel structure and synthesized at the ti m e of co 2p reci p itati on . The dia meter of the particles was increased as the te mperature rising and range fr om 5t o 30n m; when the te mperature increase t o 1000 , the zinc ferrit

5、e nanoparticles is m icr o 2scaled . Compared the TE M results with XRD results, the pure and crystal ZnFe 2O 4was obtained . Key words:zinc ferrite nanomaterials; co 2p reci p itati on; crystallizati on behavi or 铁酸锌 (分子式为 ZnFe 2O 4 不仅是一种重要的 磁性材料1, 它还具有良好的气敏和催化特性223,近年来 , 研究人员还发现铁酸锌纳米粒子有较强的 抗菌效果 ,

6、对葡萄球菌 、 枯草菌以及大肠菌等细菌的 杀菌效果尤为明显 425; Zhan 等人已经利用 2030n m 铁酸锌单晶颗粒制备出了纳米光纤 6, 显示出诱人的应用前景 .有关铁酸锌纳米材料的制备已有一些报道 , 最常见的方法有共沉淀法7、 溶胶 -凝胶法 8、 机械化学合成法 9及冲击波法 (Shock W ave 10等 , 本文在 共沉淀法制备铁酸锌纳米材料的基础上 , 重点研究 铁酸锌纳米粒子在热处理时晶化和颗粒生长行为 , 发现了一些有意义的研究结果 .1 实验部分共沉淀法制备铁酸锌纳米微粒的详细制备过程 收稿日期 :2007201204.基金项目 :天津市科技发展计划项目 (06T

7、XTJJC14602 ; 天津市 “ 材料物理与化学 ” 重点学科资助项目 . 第一作者 :叶 琳 (1980 , 女 , 硕士研究生 . 通讯作者 :袁志好 (1961 , 男 , 教授 , 硕士生导师 .第 23卷 第 6期 2007年 12月 天 津 理 工 大 学 学 报J O URNAL O F T I ANJ I N UN I VERS I T Y O F TECHNOLO GY Vol . 23No . 6Dec . 2007参见先前出版的文献 7, 11, 其主要过程为 :按摩尔 比 Zn:Fe =1:2的比例分别称取硝酸锌和硝酸铁 , 并 溶于一定体积的水中制成混合溶液 ,

8、再在不断搅拌 下加入氢氧化钠沉淀剂 (5mol l -1 , 调节溶液的 pH 值约为 11, 待沉淀完全后再煮沸 1h, 然后依次进 行抽滤 、 洗涤和干燥 , 得共沉淀初始纳米粉 , 粉体被 分成若干份分别在不同温度下热处理以获得不同尺 寸的铁酸锌纳米粒子 . 采用 Phil p s P W 1700X 型 X -射线衍射仪对样品进行物相和结构相变分析 , 样品 的形貌观察使用的是 JE M -200CX 型透射电镜 .2 结果与讨论图 1所示的是共沉淀初始粉体以及经不同温度 热处理 2h 后样品的 TE M 形貌图及相应的电子衍射 花样 . 由图可见 , 初始的共沉淀样品颗粒细小 , 粒

9、子 形状近似为球形 , 粒径约为 5n m , 对应的电子衍射图 上呈现 5条清晰的多晶衍射环 , 经计算这 5条衍射 环 的 d 值 分 别 为 0. 298、 0. 254、 0. 211、 0. 0. 149nm , 它们分别对 铁酸 (220 、 (311 、 (,. 初始粉体在小于等于 400 的温度进行热处理时 , 晶 粒生长缓慢 , 粒径分布均匀 , 400 时的粒径约 10n m;图 1 在不同温度下热处理 2h 的铁酸锌纳米粉体的 TE M 形貌像F i g . 1 TE M i m ages of ZnFe 2O 4nanopowder a t d i fferen t f

10、 i r i n g tem pera ture for 2h 随着热处理温度的进一步升高 , 晶粒长大迅速 , 同时 晶粒的尺寸分布也变得不均匀 , 当热处理温度升至 1000 左右时 , 晶粒尺寸已达微米数量级 , 图 1d 所 示的是 1050 热处理的样品 , 一些颗粒尺寸已达到 数百个微米 , 其电子衍射图上已呈现较完整的单晶 衍射点阵 (如图 1e , 表明铁酸锌纳米粉在较低的烧 结温度下就可以得到较大尺寸的单晶颗粒 .图 2为共沉淀初始粉体经不同温度热处理 2h 后的 XRD 谱图 , 图 2a 为初始共沉淀样品 , 其 XRD 图 上在测量的 2在 2060范围内已出现 5条明

11、显的 衍射峰 , 只是衍射峰较宽 , 与 JCP DS 标准卡片对照发 现 , 这 5条衍射峰与铁酸锌尖晶石结构的 5条最强 峰对应 , 表明共沉淀初始粉体是已晶化的铁酸锌纳 米晶 , 但晶粒发育尚不完全 , 缺陷较多 , 尺寸小 , 故衍 射峰展宽 , 这与 TE M 结果相一致 . 当对共沉淀初始 粉体进一步热处理时 , , 衍射峰明显, ,为经 1500 热处理的样品 , XRD 结 果显示仍为单一的尖晶石结构 , 并没有出现在其它 铁酸盐 (如 N iFe2O 4、 CoFe 2O 4等 中所观察到的低共 熔热分解现象 12, 表明铁酸锌十分稳定 .图 2 共沉淀初始粉体经不同温度热处

12、理后的 XR D 图谱F i g . 2 XR D pa ttern of co 2prec i p it a ti on powder a t d i fferen t f i r i n g te m preture按照 A rrhenius 方程 , 晶粒尺寸与温度有以下关 系 :D =k exp (-R T式中 D 为晶粒尺寸 ; T 为温度 ; k 为常数 ; Q 为 7 32007年 12月 叶 琳 , 等 :共沉淀法制备的铁酸锌纳米材料的晶化与晶粒生长行为 活化能 ; 即晶粒生长的晶化能见表 1.表 1 共沉淀初始粉体经不同温度热处理后的晶粒平均尺寸Tab . 1 The ave

13、rage si ze of co 2prec i p it a ti on powdera t d i fferen t f i r i n g te m preture晶粒尺 寸 /nm4. 34. 95. 55. 98. 011. 316. 126. 7以 Ln D -1/T 作图可得下图 3所示的曲线 . 图 3 LnD -1/T曲线 F i g . 3 LnD -1/Tcurve由图 3的曲线 可以计算得到当热处理温度低 于 400 时 , 铁酸锌晶粒的晶化能 Q 1为 2. 44kJ; 由 曲线 可以计算得到当热处理温度高于 400 时 , 晶粒的晶化能 Q 2为 18. 65kJ.

14、 当温度低于 400 时 , 晶粒的晶化能较低 , 因此晶粒生长速度较慢 , 并且缺 陷较多 ; 随着温度的进一步升高 , 晶粒的晶化能也增 大 , 晶粒生长的速度也加快 , 这与上面 XRD 和 TE M 的测试结果也是一致的 .3 结 论本文研究了共沉淀法制备铁酸锌纳米材料的制 备方法 , 并用 TE M 和 XRD 等手段对所制备的样品 进行了表征 , 主要结果如下 :1 XRD 和 TE M 的研究结果显示 , 具有尖晶石结 构的铁酸锌纳米晶在共沉淀反应时就已形成 , 但晶 粒发育尚不完全 , 缺陷较多 , 尺寸小 . 2 铁酸锌纳米粉体在小于等于 400 的温度 进行热处理时 , 晶

15、粒生长缓慢 , 粒径分布均匀 , 400 时的粒径约 10nm; 随着热处理温度的进一步升高 , 晶粒长大迅速 , 同时晶粒的尺寸分布也变得不均匀 , 当热处理温度升至 1000 左右时 , 晶粒尺寸已达微 米数量级 , 表明铁酸锌纳米粉在较低的烧结温度下 就可以得到较大尺寸的单晶颗粒 , 并且性质十分稳 定 .参 考 文 献 :1 黄 波 . 固体材料及其应用 M.广州 :华南理工大学出版社 , 1995.2 Guo X J, Q i Y L, L i X, et al . Preparati on, characteriza 2ti on and phot ocatalytic p r o

16、perties of nanometer zinc ferrite J .Journal of University of Science and Technol ogy, 2004, 11(5 :4742476.3Kundu Anand Ver citrate p r ocess t o syn 27t o 23nm crystal 2.2003, 132(2-3 :13124 启 明 . 铁氧体纳米粉末的杀菌效果 J .金属功能材料 , 2003, 10(4 :19.5 田庆华 , 黄 凯 , 郭学益 . 纳米铁酸锌的制备研究矿冶工程 J .矿冶工程 , 2005, 25(2 :46248

17、.6 Zhan S H, Gong C R, Chen D R, J iao X L. Preparati on ofZnFe2O4nanofibers by s ol 2gel related electr os p inning methodJ .Journal of D is persi on Science and Technol ogy 2006, 27(7 :9312933.7 李新勇 , 李树本 , 吕功煊 . 纳米尺寸铁酸锌半导体催化剂的表征及催化性能研究 J .分 子 催 化 , 1996, 10(3 :1872193.8 熊 纲 , 杨绪杰 , 陆路德 , 等 . 纳米晶铁酸锌和铁酸镧的合成与表征 J .无机材料学报 , 1998, 13(4 :6132618.9 W antae K, Fu m i o S . M echanoche m ical synthesis of zincferrite fr om zinc oxide and -Fe 2O 3J .Powder Tech 2nol ogy, 2001,