超声波体系下纳米NiO的制备及其表征.pdf

第5 8 卷第3 期 2 006 年8 月 有色金属 N O n f e T I “ O U SM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．3 A u g u s t 20 06 超声波体系下纳米N i O 的制备及其表征 刘艳真，张景林，王作山 中北大学环境与安全工程系，太原0 3 0 0 5 1 摘 要以氨水和N i N 0 3 2 6 H 2 0 为原料，在超声波作用下用微乳液法制备纳米N i O ，利用红外光谱仪、x 射线衍射 X D R 、透射电子显微镜 T E M 等对产品及前驱体的成分、晶体结构、粒度极其分布进行分析表征。结果表明，超声波作用下可以 获得纳米氧化物，样品粒径分布均匀，粒径范围在2 0 - - 4 0 r i m ，平均粒径为3 0 n t o 。 关键词材料合成与加工工艺；纳米N i O ；超声波；超声空化 中图分类号T F l 2 3 ．7 ；T B 3 8 3 ；T B 5 5 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 3 0 0 3 9 0 3 纳米级N i O 具有良好的催化性能、热敏性能等 多种性能，因而被广泛应用在催化剂[ 1 ] 、电池电 极[ 2 3 | 、光电转化材料[ 4 I 、电化学电容器[ 5 6 ] 等各 个方面，为了满足对纳米N i O 需求，制备纳米N i O 的新工艺不断涌现和更新。制备纳米氧化镍的方法 归纳起来可分为固相法和液相法。液相法由于工艺 简单、易于控制等优点而被广泛研究。试验中采用 超声波与液相法相结合制备纳米N i O 粉，其原理主 要利用了超声波的空化作用使乳化粒子均匀分散， 使产物粒子晶粒细化等。结果表明，超声波的应用 可使样品的粒径分布均匀，平均粒径为3 0 n m 。 1实验方法 配制一定浓度的含有分散剂的乙醇溶液，将亲 油性表面活性剂 S P 8 0 与亲水性表面活性剂 T W 8 0 按一定质量比混合，加入乙醇溶液，将此时 溶液放入超声波清洗器中超声2 0 m i n 形成微乳液。 配制一定量的N i N O ， 2 乙醇溶液，将一定量的氨 水增溶到微乳液中，在超声波的作用下使N i N O ， ， 醇溶液逐滴滴加至微乳液中，得到墨绿色N i O H ， 沉淀，将沉淀在室温下陈化2 h 左右，使其分层，将上 层溶液倒出，然后将沉淀过滤并经蒸馏水洗涤数次， 除去N 0 3 - 离子，再真空冷冻干燥5 h 以上，得到墨 绿色N i O H 2 粉末，将此粉末煅烧获得N i O 粉末。 用e r k i n E l m e r6 8 3 型红外光谱仪对其定性分析，用 日本日立公司H 一6 0 0 透射电子显微镜观测煅烧前 收稿日期2 0 0 4 1 2 2 8 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 4 0 5 0 5 0 3 0 3 作者简介刘艳真 1 9 8 0 一 ，女，江苏徐州市人，硕士，主要从事纳 米金属材料的制备等方面的研究。 后样品粒子大小和形状，用日本理学D ／M a x ．ⅢB 型 x 衍射仪分析煅烧后样品的组成和结构。 2试验结果与讨论 2 ．1 空化条件的确定 超声作用于化学反应，不仅来源于分子间的相 互作用，更主要的是来源于超声空化现象。超声波 引起的空化过程包括气泡的形成、成长和崩溃，如 图1 所示。气泡在几微秒之内突然崩溃，由此产生 局部的高温、高压，S u s l i e k 等人用实验的方法测定 了气相反应区的温度达到了5 2 0 0 6 5 0 K ，液相反应 区的有效温度在1 9 0 0 K 左右，局部压力在5 ．0 5X 1 0 7 P a 以上，而气泡液相层厚度在2 0 0 n m ～3 0 0 n m 之间。同时这种局部高温、高压存在的时间非常短， 仅有几微秒，所以温度变化率高达1 0 9 K ／s 。如此迅 速的崩溃过程使空化气泡的热量来不及传递到液体 介质中去，即在崩溃气泡处瞬时形成这个具有高温 高压的“微反应器”“ ] ，试验就是在这个“反应器”中 进行。 1 s 0 呈I O O 罪 莽5 0 0 ． {’ 崩溃 成长I ～ 快速冷却 ．∥， I 热点 l o o 2 0 0 3 0 04 0 0 , 5 0 06 0 0 时间，l a s 图1 超声空化引起气泡的形成、成长和崩溃过程 F i g ．1 P r o c e s so fa i rb u b b l ef o r m a t i o n ，g r o w i n g a n dc o l l a p s e sd u r i n ga c o u s t i cc a v i t a t i o n 万方数据 有色金属 第5 8 卷 2 ．2 红外光谱分析 已有资料报道[ 8 】3 6 0 0 ～3 0 0 0 c m o 处的宽吸收峰 属于水的对称伸缩振动。从图2 看出，3 4 4 0 ．7 7 c m _ 1 处出现的宽吸收峰为含水的吸收峰，水来自K B r 片。 4 7 4 ．4 6 c m l 处有一个宽化的吸收峰是N i o 键的振动 吸收峰，宽散的N i O 键的振动吸收峰为粉体细化的 特点。此外还有一些弱峰为空气中c 0 2 的吸收峰，说 明了所得样品为较纯净的N i O 。 图2N i O 的红外光谱 F i g ．2 I n f r a r e ds p e c t r u mo fN i O 2 ．3 纳米粒子的结构形貌分析 图3 为前驱体在5 0 0 ℃煅烧后产物的X 射线衍 射图。从图3 可以看出，试验条件下获得的N i O 粉 体的X 射线衍射结果与衍射卡J C P D S 卡对照发现， 该粉体为纯净的N i O 与红外光谱分析基本一致 。 另外还可以看到衍射峰低且宽，这一方面是由于纳 米粉的粒径小造成的，另一方面与纳米粉的内部缺 陷结构有关。 “ 量 堇 r 霎 。‘A褡 图3N i O 的X R D 图 F i g ．3X R Dp a t t e r no fN i On a n o p o d w e r s 2 ．4 粉体表面形貌、粒度分析 图4 为前驱体电镜照片。图4 表明，粒子为球 形颗粒，显示其均匀的成核机制，晶粒细小均匀、表 面光洁，粒子间随机地聚集在一起，连结成长链状。 这种球形链状的网络状排列是由于纳米粒子受到超 微粒子间的静磁力和表面张力共同作用结果。从图 4 还可以看出，所得前驱体的粒度分布均匀，粒径在 2 0 ～3 0 n m 之间，平均粒径为2 5 n m ，有明显的团聚。 图4N i o H 2 的T E M 形貌 5 0 1 0 3 倍 F i g ．4T E Mp h o t o g r a p ho fN i O H 2 图5 是产物N i O 的T E M 照片。从照片上看， 粒度分布均匀，粒径在2 5 ～4 0 n m 之间，平均粒径为 3 0 n m 。从图4 和图5 可以看出通过煅烧，所得产物 的粒径大于前驱体。 图5N i O 的T E M 形貌 1 0 0 1 0 3 倍 F i g ．5T E Mp h o t o g r a p ho fn a n o p h a s eN i Op o w e r s 3结论 用氨水和N i N 0 3 2 6 H 2 0 为原料，在微乳液体 系下用超声波能制备出纳米N i O 。不管是前驱体还 是最终产物在整个过程中所得到的粒子的粒径都是 纳米级的，前驱体约为2 0 n m ，产物粒径约为3 0 n m ， 且粒径分布均匀，但是有团聚现象。由于此法简单， 是一种可行的制备纳米N i O 粉体的方法。 参考文献 [ 1 ] C h r i s t r o s f o v aS tG ，D a n o v aN ，G e o r g i e v aM ，e ta 1 ．I n v e s t i g a t i o no fan i c k e lo x i d es y s t e mf o rt h eh e t e r o g e n e 0 1 ．坞o x i d a t i o no fo 卜 g a n ic o m p o u n d s [ J ] ．A p p l i e dC a t a l y s i sA G e n e r a l ，1 9 9 5 ，1 3 1 2 8 2 1 9 2 2 9 ． 万方数据 第3 期刘艳真等超声波体系下纳米N i O 的制备及其表征 4 1 [ 2 ] K e n ．i c h i r oO t a ，S h i g e n o r iM i t s u s h i m a ，S h i g em iK a t o ，e ta 1 ．S o l u b i l i t i e so fn i c k e lo x i d ei nm o l t e nc a r o n a t e [ J ] ．E l e c t r o c h e m S o c ，1 9 9 2 ，1 3 9 3 6 6 7 6 7 1 ． [ 3 ] M a s s y aC h i g a n e ，M a s s m lI s h i k a w a ．C h a r a c t e r i z a t i o no fe l e e t r o c h r o m i i cn i c k e lo x i d et h i nf i l mp r e p a r e db ya n o d i cd e p o s i t i o n [ J ] ． JC h e mS oF a r a d a yt r a n s ，1 9 9 2 ，8 8 1 5 2 2 0 3 2 2 0 5 ． [ 4 ] K U O ．C h u a nL i u ，M a r cAA n d e r s o n ．P o r o u sn i c k e lo x i d e ／n i c k e lf i l m sf o re l e c t r o c h e m i c a lc a p a c i t o r s [ J ] ．JE l e c t r o c h e mS O c ， 1 9 9 6 ，1 4 3 1 1 2 4 1 3 0 ． [ 5 ] 周震，阎杰，张允什，等．N i 0 H 2 超微粉的制备极其电化学性能[ J ] ．应用化学，1 9 9 8 ，1 5 2 4 0 一4 3 ． [ 6 ] 夏 熙，魏莹．纳米级t 3 - N i O H 2 的制备和放电性能[ J ] ．无机材料学报，1 9 9 8 ，1 3 5 6 7 4 6 7 9 ． [ 7 ] 李廷盛，尹其光．超声化学[ M ] ．北京科学出版社，1 9 9 5 3 9 ． [ 8 ] 史文峰，吴涛，刘献明，等．均匀沉淀法制备纳米N i O 【J ] ．新疆有色金属，2 0 0 3 ，1 3 5 5 1 5 4 ． P r e p a r a t i o no fN a n o - N i Ob yS u p e r s o n i cW a v eS y s t e ma n dI t sP r o p e r t i e s L 儿，Y a n z h e n ，Z H A N GJ i n g - l i n ，W A N GZ u o - s h a n D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n ta n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a ，T a i y u a n0 3 0 0 5 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h en a n o m e t e rN i Op o w d e ri sp r e p a r e db yu l t r a s o n i cw a v ei nc o n d i t i o no fm i n u t em i l k l i q u i d ，u s i n gt h e a m m o n i aw a t e ra n dN i N 0 3 2 ‘6 H 2 0a st h er a wm a t e r i a l s ．T h ep r o d u c ta n dp r e c u r s o ra r ea n a l y z e da n dc h a r a c t e r i z e db yX r a yd i f f r a c t i o n X R D ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y T E M t od e t e r m i n et h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，c r y s t a lm i c r o s t r u c t u r e ，t h ep a r t i c l es i z ea n dd i s t r i b u t i o n ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en a n o o x i d ep o w d e rc a nb ep r e p a r e db ym e a n so fs u p e r s o n i cw a v e ，a n dt h ep a r t i c l es i z eo ft h es a m p l e si sh o m o g e n e o u s l y d i s t r i b u t e dw i tha v e r a g es i z ea b o u t3 0 n mi nt h er a n g eo f2 5 ～4 0 n m ． K e y w o r d s m a t e r i a ls y n t h e s i sa n dw o r k i n g ；n a n o m e t e rN i O ；u l t r a s o n i cw a v e ；a c o u s t i cc a v i t a t i o n 征订启事 中国期刊方阵“双高”期刊，“首届国家期刊奖”获奖期刊 中国建筑科学类核心期刊、国际建筑数据库 I C O N D A 收录期刊 工业建筑 月刊 邮发代号2 8 2 5单价6 元全年价7 2 元 工业建筑由中国钢铁工业协会主管，中冶集团建筑研究院主办，1 9 6 4 年创刊。多年来一直本着指导 性、针对性、实用性、创新性的办刊宗旨，重点报道建筑设计、建筑结构、地基和基础、建筑材料、施工技术等方 面的应用研究成果及开发技术，突出工业建筑、钢结构、鉴定加固技术等特点；优先报道国家、省部科学基金 资助项目和重大工程建设；内容丰富翔实，理论结合实际。适于土木工程界广大科研、设计、教学、施工等专 业技术人员及大专院校师生阅读。 工业建筑为大1 6 开本，彩色胶版印刷，每月2 0 日出版，国内外公开发行。全国各地邮局均可订阅，也 可直接汇款到本编辑部订阅。 工业建筑兼营广告，收费合理，具有一定规模，是展示企业形象的理想舞台。 本刊地址北京市海淀区西土城路3 3 号；邮编1 0 0 0 8 8 ；E m a i l g y j z p u b l i c ．s t i ．a c ．c n 联系电话0 1 0 8 2 2 2 7 2 3 9 兼传真 0 1 0 。8 2 2 2 7 6 7 8 总编 ／7 2 3 6 发行 ／7 2 3 7 ／8 0 4 3 编辑 7 2 3 8 ／7 2 3 9 广告 万方数据