МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ПРАКТИКУМ
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ
НАНОДИСПЕРСНЫХ
СИСТЕМ
Учебно-методическое пособие
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2015
Стр.1
ПРЕДИСЛОВИЕ
В данном учебно-методическом пособии представлено описание девяти
лабораторных работ, посвященных синтезу наноразмерных систем и
исследованию их свойств. Работы распределены по темам, каждая из которых
имеет следующую структуру: вначале дается краткое теоретическое
описание метода синтеза или метода исследования, затем следует описание
самой лабораторной работы, включающее цель, задачи и методику эксперимента.
В конце каждой лабораторной работы представлены требования к
отчету по ней. Каждая тема завершается перечнем контрольных вопросов и
списком рекомендуемой к изучению литературы.
Данное пособие будет полезным для студентов 4-го курса направления
подготовки «Химия, физика и механика материалов», изучающих дисциплины
«Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов»,
«Нанотехнологии», а также «Перспективные функциональные материалы».
3
Стр.3
Рис. 1.2. Микрофотография порошка Y0.7Zn0.3FeO3, синтезированного золь-гель
методом (просвечивающая электронная микроскопия,
микроскоп Carl Zeiss LIBRA 120)
Для совместного осаждения нескольких оксидов металлов можно использовать
два подхода: прямое и обратное осаждение. В первом случае
смесь сложных оксидов сначала кипятят, а затем добавляют аммиачный
раствор, при этом на полученный результат значение рН раствора практически
не влияет. При использовании метода обратного осаждения, заключающегося
в добавлении по каплям смеси исходных растворов солей металлов
в раствор осадителя (например, аммиачный раствор), необходимо
контролировать рН в системе.
Лабораторная работа № 1
Синтез нанопорошков оксида железа Fe2O3 золь-гель методом
Цель работы: получение нанопорошка оксида железа осаждением из
коллоидного раствора (двумя способами).
Задание:
– провести расчеты количеств исходных веществ, необходимых для
получения геля оксида железа;
– получить гелевидный осадок Fe2O3 двумя способами и отделить его
на вакуум-фильтре;
– провести отжиг осадка Fe2O3 с целью получения нанокристаллического
порошка.
6
Стр.6
Порядок выполнения работы
Первый способ: к 300 мл кипящей воды при перемешивании медленно
прибавляют по каплям с помощью пипетки 20 мл 0,5 M раствора FeCl3
или Fe(NO3)3. После введения соли кипячение продолжается 3–5 мин, при
этом раствор имеет коричневый цвет и не изменяет его при охлаждении.
При кипении раствора, содержащего Fe(NO3)3 или FeCl3, происходят процессы
гидролиза солей, в результате которых получается золь гидроксосоединений
железа (III).
Полученный золь охлаждают до комнатной температуры, а затем к
нему при перемешивании добавляют 0,5 М раствор аммиака в количестве,
необходимом для полного осаждения катионов Fe3+. Образовавшийся гель
перемешивают в течение 10–15 мин. После отделения на вакуум-фильтре
гелевидные осадки промывают несколько раз дистиллированной водой до
отсутствия ионов Cl– (проба по реакции с AgNO3, в случае если исходной
солью является FeCl3) и высушивают при комнатной температуре до постоянной
массы.
Наночастицы Fe2O3 получают отжигом осадка на воздухе при 350–
400 °С в течение 2 ч. Данные просвечивающей электронной микроскопии
ЭМВ – 100 БР показывают, что средний размер получаемых таким способом
частиц составляет порядка 30–50 нм.
Пример расчета при использовании в качестве исходного вещества
FeCl3 · 6H2O
1. Рассчитываем количество вещества и массу, которые необходимо
взять для проведения синтеза:
n = CM · V = 0,5 · 20 · 10–3 = 0,01 мoль,
m (FeCl3 · 6H2O) = 0,01 · 270,2966 = 2,7030 (г),
FeCl3 + 3NH4OH = Fe(OH)3 + 3NH4Cl
2. Рассчитываем объем 28 %-го раствора аммиака (ρ = 0,903 г/мл):
n (NH4OH) = 3n (FeCl3) = 3 · 0,01 = 0,03 моль.
m (NH4OH) = 0,03 · 35 = 1,05 (г).
mр-ра (NH4OH) = 1,05 · 100 / 28 = 3,75 (г).
Vр-ра(NH4OH) = m / p = 3,75 / 0,903 = 4,15 (мл).
Для полного осаждения катионов Fe3+ количество аммиака берут в избытке
(в данном случае в 1,3 раза больше по сравнению с количеством, необходимым
для полного осаждения катионов), т. е. 4,15 · 1,3 = 5,4 мл.
Второй способ: наночастицы Fe2O3 получают по схеме, аналогичной
описанной в первом способе, с тем отличием, что кипящую воду заменяют
холодной водой (температура воды составляет приблизительно 0 °С).
К 300 мл холодной воды при перемешивании по каплям с помощью пипетки
медленно прибавляют 20 мл 1 M раствора соли железа (III). При этом
коллоидный раствор имеет оранжевый цвет. Затем к реакционной смеси
7
Стр.7
при перемешивании добавляют 0,5 М водный раствор аммиака. При этом
золь быстро переходит в гель, имеющий темно-оранжевый цвет. Полученный
гель перемешивают в течение 15 мин, после отделения на вакуумфильтре
осадки промывают несколько раз дистиллированной водой и высушивают
при комнатной температуре до постоянной массы.
Нанопорошки Fe2O3 образуются прокаливанием на воздухе при 350–
400 °С в течение 2 ч.
Требования к отчету по лабораторной работе № 1
В отчете должны быть приведены:
– краткое описание хода работы;
– расчеты количеств исходных веществ, необходимые для получения
геля;
– уравнения реакций протекающих процессов.
Лабораторная работа № 2
Синтез наночастиц CoFe2O4 золь-гель методом
Цель работы: получение наночастиц CoFe2O4 совместным осаждением
из коллоидных растворов.
Задание:
– провести расчеты количеств исходных веществ, необходимых для
получения геля CoFe2O4;
– получить гелевидный осадок CoFe2O4 и отделить его на вакуумфильтре;
–
провести отжиг осадка CoFe2O4 с целью получения нанокристаллического
порошка.
Порядок выполнения работы
гидроксидов Co2+ и Fe3+. В качестве исходных компонентов используют
водные растворы Co(NO3)2, Fe(NO3)3, NaOH и дистиллированную воду.
К 300 мл воды при перемешивании магнитной мешалкой добавляют
Нанокристаллический CoFe2O4 синтезируют совместным осаждением
50 мл 0,05 М смеси растворов Co(NO3)2 и Fe(NO3)3 с мольным соотношением
катионов Co2+ : Fe3+ = 1 : 2. Затем в кипящий раствор по каплям при перемешивании
добавляют водный раствор NaOH в количестве, необходимом
для полного осаждения катионов Co2+ и Fe3+. Совместно осажденные гидроксиды
перемешивают в течение 5 мин.
После отделения на вакуум-фильтре осадки промывают дистиллированной
водой и высушивают до постоянной массы при комнатной температуре.
Конечный продукт (нанопорошок) получают путем термообработки
обезвоженного осадка на воздухе в муфельной печи при температуре 600 °С
в течение 60 мин.
8
Стр.8