微乳液法制备纳米材料学习教案

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1、微乳液法制备微乳液法制备(zhbi)纳米材料纳米材料第一页，共32页。第1页/共32页第二页，共32页。 乳液法：利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液，从乳液中析出固相，这样可使成核、生长、聚结、团聚(tunj)等过程局限在一个微小的球形液滴内，从而可形成球形颗粒，避免了颗粒之间进一步团聚(tunj)。 方法的关键：使每个含有前驱体的水溶液滴被一连续油相包围，前驱体不溶于该油相型乳液中，也就是要形成油包水（w/O) 型乳液。 特点：非均相的液相合成法，具有粒度分布较窄并且容易控制第2页/共32页第三页，共32页。内容(nirng)q 微乳液基本原理q 影响微乳法制备(z

2、hbi)无机纳米材料的因素q 微乳法合成无机纳米材料q 结论第3页/共32页第四页，共32页。定义(dngy)：微乳液是由两种互不相溶液体在表面活性剂的作用下形成的热力学稳定的、各向同性、外观透明或半透明的液体分散体系，分散相直径约为1-100nm。1 微乳液基本原理O/WW/OW亲水端亲油端 习惯上将不溶于水的有机物称油，将不连续(linx)以液珠形式存在的相称为内相，将连续(linx)存在的液相称为外相。第4页/共32页第五页，共32页。检验(jinyn)水包油乳状液加入水溶性染料(rnlio)如亚甲基蓝，说明水是连续相。加入油溶性的染料红色苏丹(sdn)，说明油是不连续相。第5页/共32

3、页第六页，共32页。表面(biomin)活性剂NoImage头基链尾亲水基亲油基直链或支链碳氢链或碳氟链正、负离子(lz)或极性非离子(lz)第6页/共32页第七页，共32页。第7页/共32页第八页，共32页。3 微乳液体系(tx) 组成(z chn)： 有机溶剂：C6-C8直链烃(lin tn)或环烷烃 表面活性剂：阴离子(AOT)，阳离子(CTAB十六烷基三甲基溴化铵 ) 非离子(Triton X（聚氧乙烯醚类） ) 助表面活性剂：脂肪醇，胺 水溶液作用：(1) 增加表面活性，降低油水界面张力 (2) 阻止液滴聚集，提高稳定性 作用： （1）降低界面张力；（2）增加界面膜的流动性；（3）调

4、整表面活性剂HLB值(表面活性剂的亲水性)。广泛用于微乳状液的制备，且不需要使用助剂(琥珀酸-2-乙基己基磺酸钠)Na+-O3SCHCOOCH2CH(C2H5)C4H9 CH2COOCH2CH(C2H5)C4H9 增加柔性，减少微乳液生成时所需的弯曲能，使微乳液液滴易生成第8页/共32页第九页，共32页。属离子与生物配体的络合反应等的理想的介质，且反应动力学也有较大的改变。n 定义：微乳液中，微小的“水池”被表面活性剂和助表面活性剂所组成的单分子层界面所包围(bowi)而形成微乳颗粒，其大小可控制在几十至几百个埃之间。第9页/共32页第十页，共32页。 将两种反应物分别溶于组成完全相同的两份微

5、乳液中一定条件下混合两种反应物通过物质交换而彼此遭遇，产生反应，纳米微粒可在“水池”中稳定存在通过超速离心，或将水和丙酮的混合物加入反应完成后的微乳液中等(zhngdng)办法使纳米微粒与微乳液分离以有机溶剂清洗以去除附着在微粒表面的油和表面活性剂在一定温度下进行干燥处理，即可得到纳米微粒的固体样品4 纳米微粒(wil)的微乳液制备法原理 将微乳液“水池”作为“微反应器” ，利用微乳液“水池”间可以(ky)进行物质交换的原理制备纳米粉体在微乳液界面强度较大时，反应产物的生长将受到限制。如微乳颗粒大小控制在几十个埃，则反应产物以纳米微粒的形式分散在不同的微乳液“水池”中。第10页/共32页第十一

6、页，共32页。W/O型微乳夜中超细颗粒(kl)形成的机理(1)两种微乳液混合(hnh)两微乳液A、B混合(hnh)碰撞聚结形成AB沉淀反应物A反应物B混合两个微乳液液滴间碰撞传质发生化学反应形成沉淀第11页/共32页第十二页，共32页。先配制微乳液A和B, A的水相为(xin wi)Fe3 +和Sn4 + 、Au3 +的混合溶液, B的水相为(xin wi)氨水溶液(其中表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚含量为32. 8% (质量分数, 下同) 、油相环己烷含量为43. 8%、助表面活性剂正己醇含量为16. 4%、水相含量为7%). 剧烈搅拌下将B慢慢加入A中, 继续搅拌2h后, 用高速离心机分离(

7、10 000 r/min, 20 min) , 沉淀物用无水乙醇洗涤数次, 再用去离子水洗涤, 直至无Cl- 检出干燥, 得氧化铁前驱体, 经400 下灼烧1 h后得到氧化铁粉体1 粉体的制备(zhbi)第12页/共32页第十三页，共32页。(2)向微乳液中直接(zhji)加还原剂或气体还原剂Microemulsion containing reactant A或气体p将气体鼓入阳离子可溶盐（微乳液）发生(fshng)反应后形成氢氧化物或氧化物沉淀将还原剂加入到可溶金属盐（微乳液）发生还原反应(fnyng)后形成金属沉淀反应物A加入反应物B发生化学反应形成沉淀还原剂通常为N2H4.H2O，Na

8、BH4，H2气体通常为NH3，H2S第13页/共32页第十四页，共32页。第14页/共32页第十五页，共32页。所得(su d)的干燥粉体在马弗炉中于1000保温40min,合成钴铝尖晶石陶瓷颜料。CoAl2O4 天蓝纳米(n m)陶瓷颜料的制备采用如下几个步骤:25下,将Span80和Tween60的复合表面活性剂和正己醇的助表面活性剂按照一定(ydng)的比例混合,在搅拌中缓慢加入一定(ydng)量的120#汽油,不停搅拌30min至澄清透明备用。CoCl2 和Al (NO3 ) 3 按照CoCl2 :Al(NO3 ) 3 = 1: 2 (摩尔比)的比例混合,分别配制成Co2+质量百分比浓

9、度为6%、8%和10%的前驱体水溶液,在搅拌下向上述汽油液中缓慢滴加Co2 + 、Al3 +混合溶液,制得外观澄清的含有Co2 + ,Al3 +的微乳液。不断搅拌中向上述微乳液中通入NH3 气至pH值为9,生成混合氢氧化物纳米粒子并沉淀完全,滴加适量破乳剂丙酮并烘干乳液。第15页/共32页第十六页，共32页。形成沉淀气泡穿过微乳液发生化学反应阳离子可溶盐加入还原剂还原反应可溶金属盐形成金属沉淀形成AB沉淀发生化学反应反应物A混 合反应物B（I）（III）（II）第16页/共32页第十七页，共32页。微乳液在真空箱中放置以除去其中的水和有机溶剂，残余物再加同样的有机溶剂搅拌，离心沉降，再分别用水

10、和有机溶剂洗涤以除去表面活性剂。此法未经高温处理，粒子不会团聚，但需要大量(dling)溶剂，且表面活性剂不易回收，浪费较大。絮凝、洗涤法在己生成有纳米粒子的微乳液中加入丙酮或丙酮与甲醇的混合液，立刻发生絮凝。分离出絮凝胶体，用大量(dling)的丙酮清洗，然后再用真空烘干机干燥即得产品。第17页/共32页第十八页，共32页。5 影响微乳法制备无机纳米材料(n m ci lio)的因素 纳米尺寸的“水池”是制备纳米粒子的关键，所以(suy) 选择合适的微乳系统是材料制备的前题。 影响(yngxing)因素 表面活性剂性质的影响 水/表面活性剂摩尔比的影响 反应温度和时间的影响第18页/共32页

11、第十九页，共32页。表面活性剂性质决定(judng)微乳体系中“水池”界面性质，对纳米粒子的形貌和粒径具有关键作用。A 表面(biomin)活性剂表面活性剂浓度恒定时，H2O/S 浓度之比0 越小，液滴越小，形成的被活性剂包裹的核越小，最终的 粒子(lz)尺寸就越小。H2O/S浓度比 在一定的W（水与表面活性剂的摩尔数之比）范围内， “水池”半径RW与W近似呈线性关系。根据RW与W的关系，可根据某个W时的RW值推算出另一W时的RW值。 H2O表面活性剂水核半径第19页/共32页第二十页，共32页。Reducing agentmetal35 反应物浓度较低时，用于形成成核中心的粒子数量较少，因此

12、反应之初只形成少量的成核中心，导致粒径较大； 增加反应物浓度，成核数目增多，粒径尺寸降低； 继续(jx)增加反应物浓度，成核数目达到一定程度时保持不变，此时离子浓度继续(jx)增加就会导致粒子粒径的增大。B 反应物浓度(nngd)的影响第20页/共32页第二十一页，共32页。c反应(fnyng)温度和时间其它因素：pH值，还原剂和沉淀剂的性质等 温度低 反应可能不会发生 温度高 产物可能聚集，使粒径变大 反应时间 直接影响产物的形貌第21页/共32页第二十二页，共32页。6 微乳液法的特点(tdin)第22页/共32页第二十三页，共32页。微乳法制备无机(wj)纳米材料v 金属单质和合金纳米微

13、粒的制备v 金属氧化物的制备v 金属硫化物纳米微粒的制备v 其它无机化合物纳米微粒的制备第23页/共32页第二十四页，共32页。Representative Examples Of Nanoparticulate Metals Prepared by Reduction in Microemulsions金属单质和合金的制备第24页/共32页第二十五页，共32页。 CTAB-H2O-n-hexanol体系中用还原法合成(hchng)金属镍2Ni 2+ + N2H4 + 4OH - 2Ni(fcc) + N2 + 4H2O730CTransmission electron micrograph

14、and size distributionof nickel nanoparticles. NiCl2= 0.05 M; N2H5OH=1.0 M; water/CTAB/n-hexanol= 22/33/45; 73 C第25页/共32页第二十六页，共32页。Synthesis of NiCo needle-like alloys80OC回流3ml After 5min 65OC回流 a) t=10min b) t=50min c) t=150min第26页/共32页第二十七页，共32页。合成(hchng)金属氧化物Survey from the Literature of Oxides P

15、repared from Microemulsions第27页/共32页第二十八页，共32页。SEM image of ZnO nanowires微乳法合成(hchng)ZnO 纳米线TEM image of single ZnO nanowiresdiameter: 30-150nmSingle crystal structureCTAB-Zn(OH)42- solution-n-hexanol-n-heptanestirringautoclave1400C13hZn(ACAC)+NaOHPH=14第28页/共32页第二十九页，共32页。金属硫化物纳米(n m)微粒的制备 在CS2water

16、ethylenediamine中合成(hchng)CdS 纳米球H2NCH2CH2NH2 + CS2H2NCH2CH2NHCSSH (1)n(H2NCH2CH2NHCSSH)(HNCH2CH2NHCS-) n+ nH2S (2)第29页/共32页第三十页，共32页。 李亚栋研究小组在Triton X环己烷正戊醇微乳系统中合成了CaSO4纳米棒(线)，PbSO4纳米片晶；王雪松等则在Span 80和Tween 60作为复合乳化剂的微乳系统中合成了纳米尖晶石型MgFe2O4；Ohde等在水和超临界二氧化碳微乳系统中制备(zhbi)了AgX ( X = Cl，Br，I )纳米粒子。其它(qt)无机化合物纳米微粒的制备第30页/共32页第三十一页，共32页。结论(jiln) 实验装置简单(jindn)，操作方便，应用领域广； 可有效(yuxio)的控制微粒的粒度和形貌； 可制备均匀的双金属和混合金属氧化物材料。单次制备的催化剂数量有限；溶剂的回收和循环使用对商业应用来说仍是一个挑战。第31页/共32页第三十二页，共32页。