实验9　低维金属氧化物纳米材料的制备工艺试验

一、实验目的

① 掌握直接沉淀法制备微纳米氧化镁的实验过程。

② 了解表面活性剂调控氧化镁形貌的原理。

③ 了解纳米材料常用的表征方法。

二、实验原理

氧化镁制备形貌多种多样，有球形、管状、片状、鸟巢状、花瓣状、扇形氧化镁、氧化镁晶须和薄膜以及介孔氧化镁。氧化镁的制备方法有很多，主要有气相法、液相法和固相法。气相法是指通过各种方法生成镁蒸气，然后以惰性气体将镁蒸气运送到反应室与氧气（或水蒸气）发生反应得到氧化镁晶须。液相法就是通过原料液制成晶须前驱体，然后将前驱体晶须按一定煅烧工艺煅烧成氧化镁晶须。前驱体主要有碱式硫酸镁、碱式氯化镁、碳酸镁。利用液相法制取氧化镁晶须关键是如何控制其分解煅烧温度，温度过高会破坏前驱体晶须外形，容易烧结而产生硬团聚。固相法指的是镁盐在助溶剂的作用下，在高温中反应生成氧化镁晶须。该法在国际上已进入商业化阶段。

纳米晶须是在人工控制条件下以单晶形式生长成的形状类似短纤维的须状单晶体，纳米晶须其直径通常在几个纳米到几十个纳米，长度在数百纳米到数微米。纳米晶须是原子结构排列高度有序，近乎完整晶体，其强度接近理论强度。由于晶须的直径细小，原子排列高度有序，内含缺陷较少，其强度接近材料原子间键力的理论值，因而是一种高性能的增强材料。

表面活性剂是指加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质。具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为疏水基团。表面活性剂分为离子型表面活性剂（包括阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂）、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂、复配表面活性剂、其他表面活性剂等。

原理：通过分子中不同部分分别对于两相的亲和，使两相均将其看作本相的成分，分子排列在两相之间，使两相的表面相当于转入分子内部。从而降低表面张力。由于两相都将其看作本相的一个组分，就相当于两个相与表面活性剂分子都没有形成界面，就相当于通过这种方式部分的消灭了两个相的界面，就降低了表面张力和表面自由能。

纳米材料的表征方法包括：①形貌分析。扫描电镜、透射电镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜等；②成分分析。包括体材料分析方法和表面与微区成分分析方法，体相材料分析方法有原子吸收光谱法，电感耦合等离子体发射法，X射线荧光光谱分析法，表面与微区成分分析方法包括电子能谱分析法、电子探针分析方法、电镜-能谱分析方法和二次离子质谱分析方法等；③结构分析。X射线衍射，电子衍射等；④界面与表面分析。X射线光电子能谱分析，俄歇电子能谱仪等。

扫描电镜主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。

扫描电镜的工作原理：电子束从电子枪阴极发出，在电场作用下加速射向镜筒，经过聚光镜及物镜的会聚作用，在样品表面聚焦呈极细的电子束。在物镜上部的双偏转线圈的作用下，被加速的电子与样品室中的样品相互作用，激发样品产生出各种物理信号，其强度随样品表面特征变化。这些样品表面的物理信号被相应的检测器检测，经过放大、转换，变成视频信号，通过对其中某些物理信号的检测、视频放大和信号处理，调制阴极射线管（CRT）的电子束强度，从而在CTR荧光屏上获得能够反映样品表面特征的扫描图像。

三、实验设备与材料

① 设备：玻璃器皿（烧杯、漏斗、三角烧瓶），称量纸，乳胶管，标签纸，活性炭口罩，一次性滴管，一次性乳胶手套，滤纸，磁力搅拌器，电热恒温鼓风干燥箱。

② 试剂：氯化镁，聚乙烯吡咯烷酮，氨水，去离子水。

四、实验步骤与方法

① 按照摩尔比确定氨水的质量，氯化镁（0.01mol）加入100mL去离子水，搅拌使其完全溶解。

② 加入聚乙烯吡咯烷酮，并继续搅拌。

③ 再慢慢滴加氨水并继续搅拌，慢慢出现白色沉淀。

④ 过滤、洗涤、干燥得到样品。

五、数据记录与处理

扫描电镜图片中观察并描述微纳米氧化镁的形貌、尺寸。

参　考　文　献

[1]　沈晓芳.低维纳米材料的合成、表征及分析应用[D].南开大学博士学位论文，2008.