ZnS纳米材料的可控合成及光电性能研究要点.docx
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ZnS纳米材料的可控合成及光电性能研究要点
ZnS纳米材料的可控合成及光电性能研究
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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
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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
3/13
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10.98gZn(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-Na·H2O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
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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=(1-A/A0)×100%
其中A0A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:
5/13
(2)ZnS粒径分析:
A:
样品1(26.1℃)
参数表
微分粒度分布(样品1)
6/13
体系中颗粒粒度的微分分布曲线(样品1)
160.00
140.00
120.00
100.00
ΔQ/Δ
D80.0060.00
40.00
20.00
0.00
0.0000.5001.0001.5002.0002.500
D(μm)
平均粒径(μm):
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(m^2/g):
Sw=2.10
由图知:
最可几粒径:
Dmd=0.95
B:
样品2(36.1℃)
参数表
微分粒度分布(样品2)
7/13
体系中颗粒粒度的微分分布曲线(样品2)
160.00140.00120.00100.00
ΔQ/ΔD
80.0060.0040.0020.000.00
0.000
0.2000.4000.6000.8001.0001.2001.4001.600
D(μm)
平均粒径(μm):
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(m^2/g):
Sw=2.46由图知:
最可几粒径:
Dmd=0.75
8/13
C:
样品3(46.1℃)
参数表
微分粒度分布(样品3)
9/13
体系中颗粒粒度的微分分布曲线(样品3)
300.00
250.00
200.00
ΔQ/Δ
D
150.00
100.00
50.00
0.000.000
0.2000.4000.6000.8001.0001.2001.4001.6001.800
D(μm)
平均粒径(μm):
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(m^2/g):
Sw=3.47由图知:
最可几粒径:
Dmd=0.375
(3)ZnS光催化活性研究
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由上图知:
标准值为663nm时吸光度值为A0=0.620。
A.26.1
℃时
ZnS纳米材料光电性能研究(样品1)
17.00
16.00
15.00
脱色率(%)14.00
13.00
12.00
11.00
10.00
123
次数(每5min)一次45
11/13
B.36.1℃
ZnS纳米材料光电性能研究(样品2)
10.00
9.00
8.00
7.00
脱色率(%
)6.005.004.00
3.00
2.00
1.00
0.00
123
次数(每5min一次)45
C.46.1℃
ZnS纳米材料光电性能研究(样品3)
19.50
19.00
18.50
18.00
17.50
17.00
16.50
16.00
15.50
123
次数(每5min一次)45脱色率(%
)
12/13
2.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%、32.85%、31.38%、34.18%、36.97%
六、实验结果分析
1.本实验主要在控制溶液pH值和Zn2+/EDTA的配比等因素不变的情况下,得到不同温度下的ZnS纳米晶,通过比较产物的质量,发现在本次实验中,随着温度的升高,ZnS纳米晶的产量也随之增长。
2.在本次实验中,由于存在诸多误差,尤其在配制试剂的时候,由于基本是粗配,所以误差较大,给实验结果的准确性也带来一定影响。
3.通过对ZnS纳米晶光催化活性的考察,发现ZnS纳米晶在一定程度上提高了亚甲基蓝染料的分解效率。
七、实验心得
本次课题研究可谓曲折艰辛。
首先,由于第一次做出的产物产量太少,导致之后吸光度测试无法进行,因此我们组又重新做了一次ZnS纳米材料的合成,这样我们第一天的实验基本白费。
而困难并不止于此,在之后的粒度分析时,由于我的疏忽,导致第三组测试样品的测试结果没有保存,不仅浪费自己的工作时间,又使得其他组成员因此延误了测试的时间,我的一个不小心,却会导致大家的不方便。
同时进行的吸光度测试中,由于参比溶液浓度过稀,使得测试结果不够准确客观,我们又不得不重新做了一次……课题的探究需要一个团队的精诚团结,而身为团队的一员,我深知自己的任务虽小却尤其要仔细认真,切不可因自己的失误而使集体的付出付诸东流。
第二,在本次课题探究过程中,我了解并能熟练使用了部分常见的实验仪器,并掌握了一些基本的分析方法,收获颇多。
第三,通过突破重重困难,我深深感受到科研探究是需要多么大的耐心和毅力,这也让自己为将来从事科研工作做出心理上的准备和调整,同时也找到自身不足,进而提高自己的实验能力。
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- ZnS 纳米 材料 可控 合成 光电 性能 研究 要点