介绍一个大学化学开放性实验*<br/>——超声法制备纳米氧化铜

介绍一个大学化学开放性实验*
——超声法制备纳米氧化铜

2010-07-02宿新泰肖峰王吉德衡秋丽杨超

大学化学 2010年3期

关键词：大学化学氧化铜化学法

宿新泰肖峰王吉德衡秋丽杨超

(新疆大学化学化工学院石油天然气教育部重点实验室新疆乌鲁木齐830046)

介绍一个大学化学开放性实验*
——超声法制备纳米氧化铜

宿新泰肖峰＊＊王吉德衡秋丽杨超

(新疆大学化学化工学院石油天然气教育部重点实验室新疆乌鲁木齐830046)

介绍一种超声化学法合成纳米氧化铜的大学化学开放性实验，反应过程可以在几分钟内完成。本实验可以在教学中直观演示，同时辅以照片、电镜、XRD等测试结果;也可以作为综合化学实验开设。

大学化学开放性实验是把基础化学的理论知识和各种实验技能及方法加以分析、归纳、相互渗透的一种实验形式。为化学专业高年级本科生开设大学化学开放性实验的目的是培养学生的综合实验能力［1］。实验内容可向材料、生命、环境等热点领域倾斜，实验设计应反映新的科研成果，以提高学生的创新能力和科研能力［2］。

纳米科技是20世纪80年代末、90年代初逐步发展起来的多学科交叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高新技术，涉及纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学及纳米生物学等［3］。其中，纳米结构的设计和合成已成为纳米材料研究领域的前沿。将这方面的知识介绍给学生，设计直观和有启发性的实验，有助于学生更好地了解纳米材料。

纳米材料的制备方法包括气相法、固相法和液相法［4］，其中液相法又分水热法、溶胶凝胶法、微乳液法和超声化学法等［5-8］。超声化学法因其具有特殊的声空化效应，为制备具有特殊性能的新型材料提供了一条重要途径，已成为制备纳米材料的一种有效手段。超声化学中的声空化效应源于体系中形成的微小泡核，其生长、收缩直至破灭，导致局部产生瞬间高温和高压，并伴有强烈的冲击波和高速微射流及放电发光作用［9］，这些效应可以有效地促进固体新相的生成，控制颗粒的尺寸和分布，阻止纳米颗粒的聚集。超声化学法还具有反应速度快、制备过程安全可靠、所需仪器简单、操作方便的特点，很适宜推广作为大学开放性实验。

本文采用模板剂辅助超声化学法制备纳米氧化铜，并对其进行结构和形貌表征。实验内容涉及超声化学法、模板法和纳米材料等前沿领域。

1 实验目的

了解纳米材料的定义、合成方法，了解模板剂作为辅助试剂对纳米材料形貌的作用，掌握超声化学法制备纳米材料的方法，掌握纳米材料的一般表征方法。

2 药品仪器

2.1 药品

CuSO4·5H2O，分析纯(天津市巴斯夫化工有限公司);聚乙二醇400(PEG400)，分析纯(上海精析华工科技有限公司);尿素，分析纯(天津市百世化工有限公司);氢氧化钠，分析纯(天津市百世化工有限公司)。

2.2 仪器

日立公司H-600型透射电镜(TEM)，加速电压100kV;德国LEO-1430VP型扫描电镜(SEM);昆山市超声仪器有限公司KQ-250B型数控超声仪，功率为250W，工作频率40kHz;布鲁克公司D8型X射线粉末衍射仪(XRD)(λ=0.15418nm)，铜靶，50kV/200mA。

3 实验步骤

3.1 纳米CuO的制备

配制0.5mol·L－1硫酸铜水溶液，2.0mol·L－1NaOH水溶液。做如下两组平行对比实验(超声功率为250W，工作频率40kHz)。

(a)取20mL 0.5mol·L－1硫酸铜水溶液，在80℃搅拌下，把20mL 2.0mol·L－1NaOH水溶液快速加入其中，可以看到溶液迅速产生黑色沉淀。将产物在80℃超声10min。

(b)在20mL 0.5mol·L－1硫酸铜水溶液中加入10g尿素和10mL PEG400，溶解混合得到澄清蓝色溶液。在80℃搅拌下向上述溶液中快速加入20mL 2.0mol·L－1NaOH水溶液，可以看到溶液迅速产生黑色沉淀，将产物在80℃超声10min。

反应结束后，过滤，用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤数次，以除去其他离子，将产物在真空干燥箱中于60℃干燥即得产物。

3.2 结果与讨论

3.2.1 物相分析

图1(a)和(b)分别为不添加模板剂和采用尿素及PEG400作为模板剂辅助超声反应后产物的XRD图。从图1中可以看出，两种情况下产物的X射线衍射峰均与氧化铜的JCPDS标准卡片48-1548一致。这表明，经过超声加热辐射10min可以得到结晶完好的氧化铜。

3.2.2 辅助试剂对产物的影响

将超声化学法制备的纳米氧化铜静置10min后，可以明显看出，无辅助剂的产物有明显沉降，而添加尿素和PEG400的产物基本没有分层。随着静置时间延长，二者高度差距更加明显。据此推测，添加辅助试剂的产物具有更小的粒度和分散性;对产物进行扫描电镜观测的结果证明了这一推测。

3.2.3 SEM和TEM结果分析

图2为超声化学法制备纳米氧化铜的扫描电镜结果。从图2(a)中可以看出，无辅助试剂得到的产物为形状不规则的颗粒，有团聚;从图2(b)可以看出，当加入10g尿素和10mL PEG400作为辅助模板剂后，得到了球形产物，大小尺寸均一，平均粒径为40～50nm。图3为透射电镜结果，可以更清楚地看到氧化铜的形貌，与扫描电镜结果一致。

图1 超声反应10m in后产物CuO的XRD图

图2 超声化学法制备纳米氧化铜SEM图

图3 超声化学法制备的纳米CuO样品的透射电镜照片

3.2.4 反应机理

在本实验中，没有辅助试剂的情况下，超声作用的产物为100～200nm的不规则粒子(图3a)。当加入尿素后，尿素在80℃以上时，会发生水解，反应如下:

超声的空化作用产生的局部瞬间高温、高压可增加尿素的水解速率，并促进水解产物NH3与Cu2+生成Cu［NH3］2+4的配合反应。当加入NaOH后，体系处于高碱性环境中，超声的空化作用产生的局部高温热点为体系结晶提供了较多的能量，加快了CuO晶核的生成速率，有利于颗粒的细化;同时超声的声流效应增强了体系的传质效率，便于CuO微小颗粒的分散，阻止了颗粒间的团聚;另外，超声的空化作用还使整个反应体系的温度上升，进一步提高了反应速率和传质效率。反应过程中生成的副产物NH3在逸出过程中对体系产生一定的压力，阻止了过饱和溶液中晶核的增长，并对产物的形貌产生一定影响［10］。加入PEG400则可进一步起到分散作用，消除颗粒间的硬团聚;而且在热超声环境中，PEG400的长链难以迅速展开而包覆在颗粒表面，限制了CuO晶体的轴向生长［11］，最终形成了球形纳米CuO(图3b)。