纳米硫化锌的可控合成和光电性能研究.docx

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纳米硫化锌的可控合成和光电性能研究

江南大学

综合实验论文

纳米硫化锌的可控合成和光电性能研究

Nanometerzincsulfideofthecontrollablesynthesisandlightperformanceresearch

姓名：

xxx

学号：

xxx

班级：

xxx

学院：

无锡医学院

指导老师：

xxx

实验日期：

7月2日至7月6日

2012年8月20日

摘要：

利用醋酸锌、硫化钠和EDTA，通过液相法在不同条件下制备纳米硫化锌，找到制备ZnS纳米晶的最适PH是4.0，最适温度是49.1℃，最适硫化锌浓度是0.2mol/L，最适硫化钠/醋酸锌的配比是1：

1。

以及各条件下的最可几粒径，初步了解纳米硫化锌的光电性能及用途。

关键字：

纳米硫化锌，制备，光电性能

Abstract:

Usingzincacetate,sodiumsulfideandEDTA,throughtheliquidphasemethodunderdifferentconditionsinpreparingnanometerzincsulfide,findZnSpreparationofnanocrystallineoptimumPHis4.0,theoptimumtemperatureis49.1℃,optimumzincsulfideconcentrationis0.2mol/L,optimumsodiumsulfide/zincacetateratiois1:

1.Andtheconditionsofthemostprobableparticlesize,apreliminaryunderstandingofnanometerzincsulphidephotoelectricpropertiesandUSES.

Keywords:

Nanometerzincsulfide,preparation,photoelectricproperties

实验目的和要求：

了解ZnS纳米晶体的结构特点，性能及用途

了解并掌握缓释合成ZnS纳米晶体的原理及方法

掌握纳米ZnS光电性能研究的方法

练习称量，溶解，离心，干燥，定容等基本操作

熟悉酸度计，粒度测定仪，分光光度计的使用方法

实验原理：

纳米材料的研究是高新技术所谓重要研究领域，它在电学，光学，磁学，力学及生物学等方面表现出许多优良性能。

纳米材料分为两大类：

一类是粒度在纳米级的超细材料；另一类是具有纳米孔，纳米通道等纳米相结构的材料。

现有的合成方法可归纳为以下四类，即气相法，固相法，液相法和纳米结构合成法。

本实验通过液相法，首先将Zn2+缓释释放，控制生成的ZnS粒子的大小，能极大提高其光催化活性。

实验仪器：

名称

规格（ml）

数量

细口玻璃瓶

1000

2

棕色瓶

500

2

容量瓶

100

3

烧杯

100/150/250/400

10

离心管

10

10

玻璃棒

-

3

胶头滴管

-

3

量筒

10/100

2

塑料洗瓶

-

2

精密仪器：

名称

型号

数量

电子天枰

BS系列

1

酸度计

SartoriousPB-10型

1

离心机

PB300

1

粒度测定仪

WQL（LKY-2）

1

干燥箱

-

1

光催化反应器

-

1

UV-vis

-

1

分光光度计

722型

1

实验试剂：

二水邻苯二甲酸氢钾（A.R）、十水四硼酸钠（A.R）、二水醋酸锌（A.R）、Na2S.10H2O（A.R）、Na2H2Y.2H2O（A.R）、甘油（A.R）、无水乙醇（A.R）、碱性紫5BN染料

实验步骤：

1.溶液的配制

1）、PH4缓冲溶液的配制用电子天枰准确称量1.0211g二水邻苯二甲酸氢钾溶于烧杯中，用玻璃棒搅拌溶解，定容于100ml容量瓶。

2）、PH9缓冲溶液的配制用电子天枰准确称量0.3814g十水四硼酸钠溶于烧杯中，用玻璃棒搅拌溶解，定容于100ml容量瓶。

3）、0.2mol/L醋酸锌的配制用电子天枰准确称量21.948g二水合醋酸锌，加水配制成500ml溶液。

4）、0.2mol/L硫化钠的配制用电子天枰准确称量24.0046gNa2S.10H2O（A.R），加去离子水配制成500ml溶液。

5）、0.2mol/LEDTA溶液的配制用电子天枰准确称量3.722gNa2H2Y.2H2O（A.R），加去离子水配制成100ml溶液。

6）甘油-水（5%）混合液的配制用量筒准确量取甘油（A.R）5ml，加去离子水配制成100ml的混合溶液。

2.ZnS纳米晶的合成

准备：

用PH4和PH9的缓冲溶液校准酸度计。

第一组（PH3.8）：

取10ml上述配制的醋酸锌溶液于烧杯中，加入10mlEDTA，插入酸度计笔头，记录其PH值为3.8。

再取10ml硫化锌溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将溶液倒入离心管，放入离心机里离心分离，转述为2500r/min，离心30分钟。

离心结束后，取出离心管，倒掉上层废液，并用去离子水洗涤。

洗涤结束后，将离心管底部的产物倒在蒸发皿里，放在100℃的干燥箱里干燥得到ZnS纳米晶。

而离心管内壁残留的产物则加入3ml左右的去离子水，用做测粒度。

第二组（PH4.0）：

取10ml上述配制的醋酸锌溶液于烧杯中，加入10mlEDTA，插入酸度计笔头，用胶头滴管逐渐滴加稀氨水至溶液PH值为4.0，再取10ml硫化锌溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将溶液倒入离心管，放入离心机里离心分离，转述为2500r/min，离心30分钟。

离心结束后，取出离心管，倒掉上层废液，并用去离子水洗涤。

洗涤结束后，将离心管底部的产物倒在蒸发皿里，放在100℃的干燥箱里干燥得到ZnS纳米晶。

而离心管内壁残留的产物则加入3ml左右的去离子水，用做测粒度。

第三组（普通ZnS）：

取10ml上述配制的醋酸锌溶液于烧杯中，再取10ml硫化锌溶液倒入上述溶液中，并且不断搅拌，搅拌15分钟后，将溶液倒入离心管，放入离心机里离心分离，转述为2500r/min，离心30分钟。

离心结束后，取出离心管，倒掉上层废液，并用去离子水洗涤。

洗涤结束后，将离心管底部的产物倒在蒸发皿里，放在100℃的干燥箱里干燥得到ZnS纳米晶。

而离心管内壁残留的产物则加入3ml左右的去离子水，用做测粒度。

3.ZnS纳米晶的称重

将蒸发皿中的白色固体刮下并称重。

4.ZnS纳米晶的粒度分析

（1）.打开微粒测定仪、计算机、打印机电源，待全部处于工作状态时，打开粒度仪电动机开关（在右边）。

（2）运行程序WQL.exe。

（3）单击“调整测量曲线”，先输入“1000”，然后“确定”，在按空格键，再单击“调整测量曲线”，输入“4000”，“确定”。

注意：

圆盘开始加速，高速转动至4000r/min时，不要调光强度，这时要等待转速稳定，如不稳定，需重调转速。

重调转速（改变圆盘的稳定速度）时，参照步骤（8）（不存盘），停止圆盘转动。

重新运行程序，然后再单击“调整测量曲线”，输入“1000”，圆盘转动后，按空格键，再单击“调整测量曲线”，输入“3000”，等待转速变化。

（4）.转速稳定后，将30ml旋转液（甘油—水溶液）注入圆盘中心。

注意：

用不带橡胶管的大注射器吸取至刻度30，赶出注射器内的气泡，注射器头千万不能碰到圆盘。

（5）.按空格键，单击“输入参数和采样”，输入参数：

样品名称：

ZnS粒度测定

前面采样周期TS1/s:

1

后面采样周期TS1/s:

2

颗粒样品密度DS/g·cm-3：

4.087

旋转流体密度DF/g·cm-3：

1.00886

旋转流体粘度P/P：

0.009000

旋转流体用量V/mL：

30

使用不带针头的小注射器注入缓冲液（乙醇）1mL，注入后按一下减速键（在粒度仪上），按“确定”，待红色基线出现。

（6）.使用带针头的小注射器注入待测样品0.8mL,迅速注入，马上快速轻击键盘空格键。

注意：

待红色基线出现。

（7）等待计算机采集测量数据，同步出现在计算机窗口。

注意：

如果数据有问题，需重做（要征得老师同意）。

实验重做时，先做步骤（9）~（11），然后再从步骤

（2）开始做。

（8）实验结束，按两次任意键，单击“存盘结束”，输入文件名。

5.ZnS纳米晶光催化活性考察

1）将碱性紫5BN染料在室温下配成浓度为50/9mg/l的溶液，每次取100ml，加入8ml上述在不同PH下得到的ZnS纳米晶，搅拌，并且置于光催化反应器中，用500w紫外光源（主段波365nm），每隔5分钟取样测试，于5000r/min离心分离后，取上层清夜在紫外吸光光度计下测量它的吸光度值。

2）第一次测吸光度前，先用碱性紫5BN染料配制的活性染料找出最适波长，经实验发现，波长665nm为最适波长，以下实验均采用波长665nm进行测定，且均以上述找到最适波长的纯活性染料作为参比溶液。

3）将每次取到的上层清夜在紫外吸光光度计下测量它的吸光度值，重复4次，观察它们的吸光度变化值。

实验记录：

不同条件下的ZnS纳米晶的重量：

条件

PH3.8

PH4.0

普通ZnS

重量mg

17.8

10.3

116.3

紫外照射5分钟后不同条件下的ZnS纳米晶的吸光度值：

条件

PH3.8

PH4.0

普通ZnS

吸光度值

0.941

1.469

1.143

紫外照射10分钟后不同条件下的ZnS纳米晶的吸光度值：

条件

PH3.8

PH4.0

普通ZnS

吸光度值

0.878

1.339

1.080

紫外照射15分钟后不同条件下的ZnS纳米晶的吸光度值：

条件

PH3.8

PH4.0

普通ZnS

吸光度值

0.915

1.340

1.070

紫外照射20分钟后不同条件下的ZnS纳米晶的吸光度值：

条件

PH3.8

PH4.0

普通ZnS

吸光度值

0.878

1.348

1.102

不同条件下ZnS纳米晶的粒径分布数据

PH3.8：

PH4.0：

普通ZnS：

结果处理及分析：

综合其他组的PH实验，我们得到以下处理。

1.以紫外照射5分钟为例研究不同PH值对ZnS纳米晶光学性能的影响：

紫外照射5分钟下不同PH值下ZnS纳米晶的吸光度

PH

3.8

4.0

5.5

6.5

7.0

普通ZnS

吸光度

0.941

1.469

0.636

0.603

0.847

1.143

由上述折线图，我们可以清楚的观察到：

随着PH值的增加，ZnS纳米晶的吸光度值从PH3.8处的0.941开始几乎直线上升，并在PH4.0处到达顶峰1.469。

接着又急剧下降到0.636，

再开始缓缓下降到0.603，最后又有回升趋势，但预测将不超过前面的峰顶。

由此，我们大胆的推测：

制备ZnS纳米晶的最适PH值是4.0。

下面我们将以紫外照射10分钟为例验证我们的猜想。

紫外照射10分钟下不同PH值下ZnS纳米晶的吸光度

PH

3.8

4.0

5.5

6.5

7.0

普通ZnS

吸光度

0.878

1.339

0.848

0.832

0.815

1.080

此折线图与上一幅折线图的变化趋势大体相同，先上升后下降且在PH4.0处到达峰值，不同点在于此折线图最后没有回升的趋势，更加验证了我们的猜想是正确的。

综上所诉，我们得出结论：

制备ZnS纳米晶的最适PH是4.0。

从其他组得到结论：

制备ZnS纳米晶的最适温度是49.1℃，最适硫化锌浓度是0.2mol/L，最适硫化钠/醋酸锌的配比是1：

1。

2.研究不同PH值对ZnS纳米晶粒径大小的影响：

PH3.8：

△N（%）

24.61

19.45

23.67

12.34

5.00

3.01

2.24

D（um）

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

△D（um）

0.050

0.050

0.050

0.050

0.050

0.050

0.050

△N/（△D）

492.2

389.0

473.4

246.8

100.0

60.2

44.8

△N（%）

1.57

2.77

1.78

1.34

0.82

0.46

0.20

D（um）

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

1.100

△D（um）

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

△N/（△D）

15.7

27.7

17.8

13.4

8.2

4.6

2.0

由上述折线图，我们看到曲线开始处在一个较高的点，先稍微下降，再上升到比开始稍微少一点，接着从0.25um开始急剧下降，下降到0.5um时到达最低点，然后几乎不变。

说明随着硫化锌粒径的增大，单位硫化锌数目百分数（即△N/（△D）先下降，再上升，接着又一直下降。

所以，PH3.8的硫化锌的最可几粒径是0.15um。

PH4.0

△N（%）

25.64

23.70

15.13

9.90

6.67

4.58

3.55

2.37

D（um）

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

0.500

△D（um）

0.050

0.050

0.050

0.050

0.050

0.050

0.050

0.050

△N/（△D）

512.8

474

302.6

198

133.4

91.6

71

47.4

△N（%）

3.51

1.66

1.15

0.96

0.22

0.21

0.20

0.17

D（um）

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

1.100

1.200

1.300

△D（um）

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

△N/（△D）

35.1

16.6

11.5

9.6

2.2

2.1

2.0

1.7

由上述折线图，我们看到曲线开始处在一个较高的点，先缓慢下降，再快速下降，最后又缓慢下降。

说明随着硫化锌粒径的增大，单位硫化锌数目百分数（即△N/（△D）先一直都在减小。

所以，PH4.0的硫化锌的最可几粒径是0.15um。

普通ZnS

△N（%）

5.68

28.65

20.76

12.23

7.63

4.13

3.54

2.92

D（um）

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

△D（um）

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

0.100

△N/（△D）

56.8

286.5

207.6

122.3

76.3

41.3

35.4

29.2

由上述折线图，我们看到曲线开始处在一个较低的点，先快速上升，接着快速下降，最后缓慢下降。

说明随着硫化锌粒径的增大，单位硫化锌数目百分数（即△N/（△D）先上升再下降。

所以，普通的硫化锌的最可几粒径是0.30um。

实验总结

最后，综合各小组的实验结果，得到以下结论：

制备ZnS纳米晶的最适PH是4.0。

从其他组得到结论：

制备ZnS纳米晶的最适温度是49.1℃，最适硫化锌浓度是0.2mol/L，最适硫化钠/醋酸锌的配比是1：

1。

条件PH

3.8

4.0

5.5

6.5

7.0

普通ZnS

最可几粒径（um）

0.150

0.150

0.200

0.200

0.200

0.30

条件

29.1℃

39.1℃

49.1℃

醋酸锌：

硫化钠=1：

2

C硫化锌=0.1mol/L

C硫化锌=0.2mol/L

最可几粒径（um）

0.200

0.300

0.250

0.600

0.450

0.800

思考与讨论：

这次的实验，不像以往那样照着书上做，而是老师给出一个课题，接下来所有的实验都由我们自主设计。

对于首次自主设计试验的我们而言，此次的设计是1个新的体验、新的挑战，我在此过程中不但应用了所学的知识，而且还不断的学习新的知识、工具，以完成设计的需要。

我和队员们先在网上查阅了大量有关硫化锌的资料，设计出了一个方案，最后几个小组在一起通过鲍老师的指导确定最佳方案。

实验中，几个小组互相帮助，互相讨论，互相配合，有不懂的就问一下老师，有条不紊的进行我们的实验。

但是，实验中也有很多不足的地方。

1、不懂思考：

第一天的时候，我们在离心时，把样品倒在了差不多10个离心管里，结果发现，即便是每管转一个小时，离心管底部依然看不到多少产量，更别说去收集了。

后来，在鲍老师的帮助下，我们知道，我们实验生成的硫化锌本来就少，如果分到那么多的离心管里，会造成严重的浪费，影响实验数据的准确性。

通过这一教训，我了解到，做任何实验都不简单，我们不仅要知道怎么做，还要知道这么做的原理以及实验过程中可能会出现的问题或不确定性。

2、缺少创新：

前期的实验过程设计基本上都是从网上下载的，没有太过深入的去了解硫化锌究竟是什么。

在后期遇到粒度测定仪时，一头浆糊，完全不知道该怎么使用，还好，老师帮助了我们。

3、顺序混乱：

因为实验有很多步骤，而有些步骤又要花费很长时间，可以在某些等的时间做其他事情。

但由于，我们对实验的整体性没有把握好，所以没有充分的利用时间。

尽管如此，此次实验我还是很开心的。

我们大组最后得到的实验结论与网上的差不多说

明我们的实验整体上还是成功的，当然，这还要多谢老师的热心指导和大家的齐心协力。

致谢:

感谢鲍明伟老师的热心指导与队友们的全力帮助。

参考文献：

1.无机及分析化学实验/倪静安等主编.——北京：

高等教育出版社，2007.2

2.物理化学实验/郑秋蓉，顾文秀主编.——北京：

中国纺织出版社，2010.3