内蒙大材料化学综合实验指导02综合型实验

水热法合成稀土铕掺杂纳米Y2O3发光材料一、实验目的1.了解发光材料的制备方法；2.了解XRD等仪器在鉴定物相中的应用；3.掌握利用高压反应釜制备Y2O3:Eu的操作过程，理解温度，压力等因素对结构、晶粒度等二、实验原理三、实验仪器及试剂1.仪器：高压反应釜，粉末X射线-晶体衍射仪，恒流泵，真空干燥器蒸发皿，电动搅拌器，抽滤瓶，布氏漏斗，烧杯(l000mL)，移液管(20mL)，分析电子天平。四、实验药品硝酸铁[Fe(NO3)3•9H2O]，硝酸铜[Cu(NO3)2•3H2O]，5%的PVA溶液，10%的NaOH溶液。五、实验步骤六、结果和讨论1.用谢乐公式估算样品的晶粒度大小。2.水热过程中哪些因素对最终形成的铁氧体的结构、形貌及晶型有影响？七、思考题1.纳米CuFe2O4有何应用？2.PVA在制备纳米粉体中的作用？3.温度与保温时间和晶型转变及结晶程度有何关系？4.X射线衍射仪分析图谱中，半峰宽及峰高与合成温度及时间有何依赖关系？参考文献纳米CuFe2O4软磁材料的水热合成与磁性能表征一、实验目的1.了解铁氧体的制备方法；2.了解XRD等仪器在鉴定物相中的应用；3.掌握利用高压反应釜制备铁氧体的操作过程，理解温度，压力等因素对晶型转变、晶粒度等的影响。二、实验原理尖晶石型铁酸盐是一类以Fe(Ⅲ)氧化物为主要成分的复合氧化物。从20世纪30年代以来，人们便开始对其进行系统的研究。它的化学式为MFe2O4，M为二价金属离子，可以是(Cu2+、Co2+，Ni2+、Zn2+、Mg2+等)。其中O2-离子为立方紧密堆积排列，M2+和Fe3+离子则按一定规律填充在O2-离子堆积所形成的四面体和八面体空隙中。尖晶石型铁氧体作为一种软磁性材料已广泛应用于互感器件、磁芯轴承、转换开关以及磁记录材料等方面。近年来，随着超细化技术在材料制备等方面的发展，也促进了尖晶石型铁氧体的超细化制备，从而扩大一般的固态铁氧体材料通常是利用α-Fe2O3与其他金属氧化物（或碳酸盐等）在高温条件下的固相化学反应而制得，而纳米级铁氧体粉体一般是利用湿化学方法制备。其中的水热合成间在非理想、非平衡的状态下发生化学反应并且结晶，再经过分离等处理得到产物。水热合成实际上降低了物质的反应温度，是制备纳米材料的重要方法之一。本实验以硝酸铁水合物[Fe(NO3)3•9H2O]、硝酸铜[Cu(NO3)2•3H2O]为原料在碱性水溶液（如NaOH溶液）中反应：Fe(NO3)3+3NaOH=Fe(OH)3↓+3NaNO3Cu(NO3)2+2NaOH=Cu(OH)2↓+2NaNO3得到的Fe(OH)3与Cu(OH)2混合溶胶，充分洗涤后，加人5%的聚乙烯醇溶液（PVA转移至反应釜中，在一定温度与压力下反应：Fe(OH)3+Cu(OH)2=CuFe2O4+4H2O反应一定时间后取出，用XRD表征其物相组成。三、实验仪器及试剂1.仪器：高压反应釜，粉末X射线-晶体衍射仪，恒流泵，真空干燥器蒸发皿，电动搅拌器，抽滤瓶，布氏漏斗，烧杯(l000mL)，移液管(20mL)，分析电子天平。四、实验药品硝酸铁[Fe(NO3)3•9H2O]，硝酸铜[Cu(NO3)2•3H2O]，5%的PVA溶液，10%的NaOH溶液。五、实验步骤套内部有异常声响时，应停机减压，检查有何异常情况。1、混合溶胶制备按物质的量比为1:2称取一定量Cu(NO3)2•3H2O和Fe(NO3)3•9H2O，溶于蒸馏水中，制成150rnL的0.1mol/LCu(NO3)2和0.2mol/LFe(NO3)3混合溶液，机械搅拌下混合均匀。然后用恒流泵缓慢加入4moI/L的NaOH溶液，调节混合液的pH值至9，形成水溶胶。强烈搅拌30min后，用蒸馏水洗涤，抽滤，弃去上层清液，在溶胶中加人5%的PVA溶液5mL，搅拌均匀，作为反应前驱体待用。制备条件见表7-1所列。表7-1制备条件温度/ºC230250270290300310320时间/h压力/kPa2、水热合成将反应釜打开，清洗反应内胆与所有密封端面，将前驱体转移至内胆，密封反应器，启动搅拌（转速控制在120r/min)，将温度逐步升高至230ºC、250ºC、270ºC、290ºC、300ºC上310ºC、320ºC，分别保温1h、2h、3h、4h，每30min记录温度、压力一次。停止加热（保持搅拌)，待其自然冷却至室温，小心打开反应釜，取出内胆，将产物转移至蒸发皿中，在真空干燥器中于100ºC下干燥lh后取出。3、物相表征用XRD分析产物（衍射角2θ：20º~70º),从图谱分析物相组成、晶体构型、结晶情况及晶粒度等。六、结果和讨论1.用谢乐公式估算样品的晶粒度大小。2.水热过程中哪些因素对最终形成的铁氧体的结构、形貌及晶型有影响？七、思考题1.纳米CuFe2O4有何应用？2.PVA在制备纳米粉体中的作用？3.温度与保温时间和晶型转变及结晶程度有何关系？4.X射线衍射仪分析图谱中，半峰宽及峰高与合成温度及时间有何依赖关系？参考文献[1]阎鑫，胡小玲，岳红等，纳米级尖晶石型铁氧体的制备进展[J].材料导报，2002，16(8)：44．[2]周鑫，胡小玲，岳红等．纳米铁酸锌的水热合成[J].化学通报，2002，(9)：623~626.[3]李荫远，李国栋．铁氧体物理学（修订本）[M].北京﹕科学出版社.1978.[4]DuJM,LiuZM,WuWZ,etal.Prepararionofsingle-crysralcopperferritenanorodsandnanodisks[J].MaterialsResearchBulletin,2005,40：928~935.掺杂纳米TiO2的制备及其光催化降解有机污染物一、实验目的1.了解光催化剂的催化原理；2.掌握溶胶-凝胶法制备二氧化钛(TiO2)的方法；3.掌握紫外可见分光光度计的基本原理和操作方法。二、实验原理光催化法是20世纪70年代发展起来的新型处理技术，它是以某些半导体为催化剂，利用光催化法来降解有机污染物。具有工艺简单、成本较低、可以在常温常压下使大多数不能或难于生物降解的有害有机物氧化分解，其中用的最多的催化剂就是二氧化钛(TiO2)。TiO2根据其晶体结构，可分为三种：锐钛矿型(Anatase)、金红石型（rutile)和无定型TiO2目前研究公认的是具有锐钛矿型结构的TiO2具有广阔的光催化应用前景。锐钛矿型的禁带宽度（也称带隙，Eg）为3.2eV，相当于波长为387.5nm的光子的能量。当TiO2受到波长小于等于387.5nm的光子能量时，价带(ValenceBand，VB）中的电子就会被激发到导带(ConductionBand，CB)，形成高活性电子eˉ,同时在价带上产生相应的空穴h+，并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。TiO2+hv→TiO2（eˉ,h+)光生空穴具有很强的得电子能力，可夺取半导体颗粒表面的有机物或体系中的电子，使原本不吸收光的物质被活化而氧化；而导带上的光生电子又具有强还原性。即光生空穴和光生电子起氧化剂和还原剂的作用，空穴与表面吸附的HO和2HO－离子反应生成羟基自由基(HO•)。H＋+H2O→HO•+H+h＋+OHˉ→HO•羟基自由基具有402.8MJ/mol反应能，远远高于有机化合物中各类化学键能，如：C-C(83)、C-H(99)、C-N(73)，C-O(84）、H-O(lll)、N-H(93)，因此可将各种有机物分解为无害的CO2和H2O。电子与TiO2表面的氧起反应，生成超氧离子（O2•ˉ),超氧离子是强还原剂，能使有机物分解。超氧离子与水反应，生成过羟基(OOH•)和双氧水(H2O2)。eˉ+O2→O2•ˉO2•ˉ+H2O→OOH•+OH-OOH•+OOH•→H2O2+O2H2O2+O2-→OH•+OH-+O2梯恩梯(TNT)为致毒、致癌物质，人类若吸人TNT，轻者会引起肝脏病（中毒性肝炎）、再生障碍性贫血及白内障，重者可导致死亡；当水中TNT含量达1mg/L时，鱼类就会死亡；若TNT浸人土壤，会与土壤中的几种主要化合物相互作用，使土壤中有机物的浓度增高，对环境造成深远危害。研究表明，使用TiO2光催化降解TNT，处理过的废水能达到国家一级排放标准0.5mg/L。三、实验仪器紫外可见分光光度计，电热恒温水浴箱，真空干燥器，马弗炉，电磁搅拌器，光催化反应仪，电子天平，精密pH试纸(0.5～5.0烧杯，分液漏斗(50mL)，具塞比色管(50mL）。四、实验试剂钛酸丁酯（分析纯无水乙醇（分析纯硝酸（分析纯)，聚乙二醇2000(PEG-2000，分析纯)，乙醚（分析纯)，2.5g/L氯代十六烷基吡啶溶液（溶解0.5g氯代十六烷基吡啶于水中，并稀释至200mL。该溶液储存在棕色玻璃磨口瓶中，常温下可稳定一个月100g/L亚硫酸钠溶液（溶解10g无水亚硫酸钠于水中，并稀释至100mL。该溶液有效期3天梯恩梯标准储备液[准确称取经乙醇精制的工业梯恩梯于1000mL烧杯中，加入预热至70ºC的水约800mL，置温度低于75ºC的水浴中，边加热边搅拌，直至完全溶解。取出，冷却至室温后移入1000mL棕色容量瓶中，以水稀释至刻线摇匀。暗处低温(2-5ºC）保存，有效期5天]，梯恩梯标准使用液（取梯恩梯标准储备液50mL，于250mL棕色容量瓶中，以水稀释至刻线，摇匀。临用时现配实验用去离子水。五、实验步骤安全预防：乙醇易燃，避免明火；硝酸具有腐蚀性，TNT有毒，避免直接接触；TNT能发生爆炸反应，注意防护。室温下，将l0mL钛酸丁酯缓慢滴入搅拌的40mL无水乙醇中，形成A溶液。继续搅拌30min后，将3mL去离子水加入到15mL无水乙醇中，形成滴加液，并逐滴加人A液中，同时用稀硝酸调节溶液的pH值至3～4之间，然后加入适量聚乙二醇2000，搅拌直至形成透明的溶胶。70ºC恒温水浴3h，然后在100ºC下真空干燥，最后置于马弗炉中490ºC下煅烧4h，除去有机模板，即可得到TiO2微粒。制备流程如图9-1所示。2、TNT的光催化降解图9-1溶胶-凝胶法制备TiO2的工艺流程TNT的降解在光催化反应仪中进行。实验中待处理TNT废水样是以纯品TNT与蒸馏水配制而成，浓度为80mg/L，将上步所得TiO2微粒研磨后以悬浮态对此水样进行处理，反应前将悬浮体系搅拌10min。以单纯紫外光作用TNT作为参比。分别于2h、4h、6h、8h、10h、12h、24h取水样一次进行测定。(1)样品吸光度的测定吸取25.00mL试样（梯恩梯含量大于4mg/L的试样，应先进行稀释移入50mL分液漏斗中，加15.0mL乙醚，剧烈振动2min。静置分层后，将水相弃去；醚相移入50mL比色管中，以2mL乙醚洗涤分液漏斗，洗涤后的乙醚并入50mL比色管中。然后将比色管置于水浴中（温度不超过40ºC蒸发至无醚气味。取出，沿壁加入无水乙醇2mL，加水约l0mL，摇匀。加3mL亚硫酸钠溶液，混匀。加5mL氯代十六烷基吡以试剂水溶液作参比，测定其吸光度。(2)校准曲线的绘制吸取梯恩梯标准使用液0，0.50mL，1.00mL，3.00mL，5.00mL，7.00mL，10.00mL分别置于50mL分液漏斗中，加水至25mL，按测定样品吸光度的步骤进行操作，记录吸光度。以吸光度为纵坐标，对应的梯恩梯含量(mg)为横坐标，绘制校准曲线。六、数据处理TNT含量按下式计算：c=（m/V）×1000式中c—TNT含量，mg/L；