低温燃烧合成NixZn1-xFe2O4超细粉体及结构分析.doc

低温燃烧合成NixZn1-xFe2O4超细粉体及物相分析

一、实验目的
1.了解低温燃烧合成超细粉体的原理及方法
2.熟悉sol-gel的制备过程
3、学习无机非金属材料的物相结构分析方法，学习XRD的操作和分析。
二、实验原理
低温燃烧合成(LCS)是相对于自蔓延高温合成(SHS)而提出的一种新型材料制备技术，其主要过程是将可溶性金属盐(主要是硝酸盐)与燃料(如尿素、柠檬酸、氨基乙酸等)溶入水中，然后将溶液迅速加热直至溶液发生沸腾、浓缩、冒烟和起火，整个燃烧过程可在数分钟内结束。其产物为疏松的氧化物粉体。LCS初始点火温度低，且能在分子水平上混合前驱体液各组分，可合成用SHS技术难以合成的多组元纳米级氧化粉体，因此近年来得到了广泛的重视。
LCS技术基于氧化-还原反应原理，其中硝酸盐(硝酸根离子)为氧化剂；同时，溶液中有机燃料还充当了络合剂的作用，有效地保证了各相组元发生外爆炸式的氧化还原热反应，产生的大量热量促使产物以晶相形成，产生的大量气体使得产物存在大量的气孔，最终有利于高洁性纳米粉体的形成。
本实验是采用柠檬酸盐法制备sol-gel，从而得到的gel进行LCS反应。
溶胶-凝胶（sol-gel法）合成工艺的基本理论
溶胶–凝胶法是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺。其基本原理是：将金属醇盐或无机盐经过水解形成溶胶，或经过解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧，去除有机成分，最后得到无机材料。溶胶–凝胶法包括以下几个步骤：
第一步为溶胶的制备
第二步为凝胶化
第三步为凝胶的干燥
柠檬酸盐法实质上是金属螯合凝胶法，其基本过程是在制备前驱液时加入螯合剂，如柠檬酸或EDTA，通过可溶性螯合物的形成减少前驱液中的自由离子，通过一系列实验条件，如溶液的PH值、温度和浓度的控制，移去溶剂后形成凝胶。但柠檬酸作为络合剂并不适合所有金属离子，且所形成的络合物凝胶相当易潮解。
无机盐在水中的化学现象很复杂，可通过水解和缩聚反应生成许多分子产物。根据水解程度的不同，金属阳离子可能与三种配位体（H2O）、（OH-）和（O2-）结合。决定水解程度的重要因素包括阳离子的电价和溶液的PH值。水解后的产物通过羟基桥（M-OH-M）或氧桥（M-O-M）发生缩聚进而聚合。但许多情况下水解反应比缩聚反应快得多，往往形成沉淀而无法形成稳定的凝胶。
成功合成稳定的凝胶的关键是要减慢水或水-氢氧络物的水解率，制备出稳定的前驱体液。在溶液中加入有机螯合剂Am-替换金属水化物中的配位水分子，生成新的前驱体液，其化学活性得到显著的改变.
三、实验药品及仪器
实验药品：
柠檬酸,C6H8O7H2O；氨水,NH4OH；硝酸锌,Zn(NO3)2；硝酸镍,Ni(NO3)2；硝酸铁，Fe(NO3)3；去离子水,H2O
实验仪器：
烧杯若干；量筒若干；分析天平；滴管；磁力搅拌器；蒸发皿；烘箱；X射线衍射仪
四、实验过程
凝胶的
制备
溶胶的
制备
制备混合
溶液
（一）样品制备的流程图
XRD测试与分析
凝胶粉的热处理
（低温自燃烧）
配料
计算

制备工艺流程图
（二）实验步骤
1、配料计算：
溶胶-凝胶法所需原料均为硝酸盐，注意，在计算时不要损失硝酸盐本身带的结晶水。
实验所制物质为NixZn1-xFe2O4（x=0,0.2,0.5,0.8,1），通过此按化学计量计算实验中所需药品的质量。原料中柠檬酸与金属离子的摩尔比控制在2-3之间。
2、制备混合溶液：
分别将硝酸锌和硝酸铁溶解，配置成2mol/L的溶液，将Zn(NO3)2溶液缓慢加入到Fe(NO3)3的混合溶液中，不断搅拌，使混合均匀。按照柠檬酸与硝酸盐混合液中金属离子总摩尔数分子摩尔数之比2-3称量所需柠檬酸。称取的柠檬酸加入到混合液中，搅拌20min使之混合均匀。
将混合液放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，温度为70-80℃，让水分缓慢蒸干，溶胶的浓度逐渐加大，待到液体呈粘稠状，停止反应，形成溶胶。
将上述溶胶放入烘箱中烘10小时，箱内温度为110℃，制成凝胶。将制得的干凝胶取出在蒸发皿中点火使之自发燃烧，最好得到产品（分别标注为1-5号）。
最后将得到的产品进行XRD测试，分析产品的物相组成，对比1-5号产品XRD谱图的差异，分析原因，计算各产品的晶胞参数。
五、1、物相分析
确定晶系和物相。
2、衍射峰偏移情况
样品主峰1位置（度）峰2位置（度）偏移值ZnFe2O4Ni0.3Zn0.7Fe2O4Ni0.7Zn0.3Fe2O43、晶胞参数的计算
立方晶系：

4、晶粒大小的计算
谢乐公式：
其中K为Scherrer常数，其值为0.89；d为晶粒尺寸（nm）；B为积分半高宽度，在计算的过程中，需转化为弧度（rad）；θ为衍射角；λ为X射线波长，为0.154056nm
表1：