正渗透复合膜的制备及表征_宁静恒

正渗透复合膜的制备及表征_宁静恒
正渗透复合膜的制备及表征_宁静恒

第8卷第10期

环境工程学报

Vol.8,No.102014年10月

Chinese Journal of Environmental Engineering

Oct .2014

正渗透复合膜的制备及表征

宁静恒

1

赵俊

1,2

李玉平

2*

曹宏斌

2*

李海波

2

(1.长沙理工大学化学与生物工程学院,长沙410004;

2.中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程重点实验室,北京100190)

摘要通过在聚砜铸膜液中加入混合添加剂氯化锂和聚乙烯吡咯烷酮(PVP ),用相转移法制备出多孔支撑层,然后

通过界面聚合制备聚酰胺正渗透复合膜,重点研究了添加剂和聚砜浓度对膜结构和性能的影响。结果表明,氯化锂使得膜支撑层指状孔更加均一,提高孔隙率,并降低海绵层的厚度,提高了水通量;PVP 增强了膜的亲水性,并易于成膜,在保持截盐率的同时提高了水通量;随着聚砜浓度增大,支撑层孔隙率变小,海绵状孔层变厚,生成的聚酰胺层更加致密,加重过程内浓差极化,水通量降低。采用质量分数为9%聚砜同时添加氯化锂和PVP 的膜支撑层结构均一,孔隙率较大(68.0%),

表面亲水性较强(接触角48.5?),

优于2种商用三醋酸纤维素正渗透膜的孔隙率(32.6%和25.4%)和接触角(76.5?和73.5?);在正渗透过程中的自制膜水通量为21.9L /(m 2·h ),均高于2种商用三醋酸纤维素正渗透膜(9.5和14.4L /(m

2

·h ))和文献报道的正渗透复合膜通量水平,并维持了一定的截盐率(盐通量为19.9g /(m 2

·h )),表现出优异的正渗透性能。

关键词

正渗透

聚酰胺

添加剂

复合膜中图分类号

X 703.1

文献标识码

A

文章编号1673-9108(2014)10-4183-08Fabrication and characterization of thin-film composite

membrane for forward osmosis

Ning Jingheng 1

Zhao Jun 1,

2

Li Yuping 2Cao Hongbin 2Li Haibo 2

(1.College of Chemical and Biological Engineering ,Changsha University of Science and Technology ,Changsha 410004,China ;

2.Laboratory of Green Process and Engineering ,Institute of Process Engineering ,Beijing 100190,China )

Abstract Thin-film composite membranes for forward osmosis (TFC-FO )were synthesized by interfacial

polymerization on top of the porous polysulfone (PSf )supporting layer films ,which were prepared via phase inver-sion with addition of polyvinyl pyrrolidone (PVP )and lithium chloride (LiCl ).The effects of PSf concentration and additives on the structure characteristics and forward osmosis performance were investigated thoroughly.The results indicate that the addition of LiCl makes the finger-like pore more uniform ,reduces the thickness of sponge-like pore layer ,and also promotes the porosity of supporting layer ,resulting in high water flux in forward osmosis

process.PVP increases the hydrophilicity of TFC-FO membrane and improves the property of membrane-forma-tion.TFC-FO membranes with addition of PVP exhibit high water flux and low reverse salt flux.With PSf concen-tration increasing ,the porosity of supporting layer decreases ,the sponge-like pore layer thickens and polyamide active layer becomes dense ,which can lead to more serious internal concentration polarization and lower water flux in FO process.The TFC-FO membrane with 9%PSf concentration and addition of PVP and LiCl exhibits

more uniform ,porous and hydrophilic characteristics (porosity 68.0%,contact angle 48.5?)than two commercial FO membranes (porosity 32.6%and 25.4%,contact angle 76.5?and 73.5?).Additionally ,the fabricated mem-brane shows a high performance in FO process with low reverse salt-flux of 19.9g /(m 2·h )as well as high wa-ter-flux of 21.9L /(m 2·h ),which is better than that of two commercial FO membranes (9.5and 14.4L /(m 2·h ))and some reported TFC-FO membranes under similar testing conditions.

Key words forward osmosis ;polyamide ;additive ;thin film composite membrane 基金项目:国家自然科学基金资助项目(21177130,

21377130)收稿日期:2013-09-29;修订日期:2013-12-30作者简介:宁静恒(1975—)女,硕士研究生,主要研究有机功能材料

的制备。E-mail :ningjingheng@126.com *通讯联系人,E-mail :ypli@ipe.ac.cn ,hbcao@home.ipe.ac.cn

随着世界经济的高速发展,人口的不断增长,水

资源相对匮乏逐步成为全球性危机[1]

。利用脱盐技术对一些难以利用水资源(如海水、卤水及废水)进行脱盐利用,是当前解决水资源短缺的可行方

性半透膜流向较低水化学势(较高渗透压)汲取液侧实现盐水分离的过程[4]。相比纳滤和反渗透等传统的脱盐膜分离技术,FO具有能耗低、膜污染低、易清洗、低成本、高水通量、高截盐率等优点[3,5-7],特别是其产水量很高、膜污染可逆等优点,在一些高盐废水淡化和物料浓缩方面表现出突出优势[7-10]。因此,FO膜分离技术越来越受到关注,是一种十分有前景的技术。

获得高性能正渗透膜是正渗透技术的关键难题之一[11]。一个理想的FO膜应具有高水通量、高截盐率、良好的化学稳定性和合适的机械强度[12]。目前,复合FO膜仍然在其发展的早期阶段,由于支撑层内部较为严重的内浓差极化使得膜的通量较低。正渗透膜主要有醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺类膜两类,商品化的正渗透膜也只有美国的Hydration Technology Inc.(HTI)公司生产的两种醋酸纤维素膜(CTA-ES,CTA-NW)和一种复合膜(TFC-ES)。相比醋酸纤维素,聚酰胺有较好的化学稳定性,亲水性和较宽pH应用范围,被广泛地应用于制备纳滤膜和反渗透膜。目前,研究者制备出的正渗透膜大多是由无纺布支撑层、聚合物多孔层和致密的活性层3层组成,由于厚度较大,孔道结构弯曲,存在严重的内浓差极化而导致水通量较低[13-15]。

通过制备合适支撑层降低内浓差极化是提高正渗透膜的重要途径[16-18],厚度小、孔隙率高、孔道弯曲度小、亲水性好等特点的支撑层膜能有效降低内浓差极化和提高正渗透膜通量[14,19,20]。本研究选取亲水性和机械性能较好的聚砜作为支撑层材料,在聚砜中添加氯化锂和聚乙烯吡咯烷酮优化支撑层结构,通过研究添加剂和聚砜浓度对膜结构的作用,通过制备厚度小、孔隙率高、孔道直、亲水性好等特点的膜支撑层进行界面聚合获取高性能正渗透膜,并进一步研究了膜结构对膜性能的影响,对开发高性能正渗透膜有重要的参考意义。

1实验部分

1.1药品和仪器

聚砜(PSf,P-3500L,美国Solvay公司);N-甲基吡咯烷酮(NMP,质量分数99.5%);氯化锂(分析纯);氯化钠(分析纯);聚乙烯吡咯烷酮(PVP,质量分数99.5%);间苯二胺(MPD,质量分数99%);均苯三率仪DDSJ-308F,上海雷兹公司;蠕动泵BT-301S,保定雷佛流体科技有限公司;电子分析天平CP4102,上海奥豪斯仪器有限公司;恒温槽DC-0510,宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2膜的制备

将一定量已干燥好的聚砜(polysulfone,PSf)加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(N-methyl pyrrolidone,NMP)中,然后依次加入一定浓度的聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)和氯化锂,在80?下磁力搅拌溶解成均一体系。冷却至室温,静置脱泡24h,直接在玻璃板上进行刮膜。室温放置30s,保持环境的温度、湿度和气流恒定。然后浸入23?自来水中通过相转化法制备聚砜底膜,基板上残留的溶剂可以通过在流动的水浴中除去,5min后将膜保存在超纯水中。

将上述所得的膜浸泡在质量分数1.5%间苯二胺(MPD)水溶液中5min,用压缩空气除去基板表面上过量的MPD溶液,沥干。然后与质量分数0.1%均苯三甲酰氯(TMC)的正己烷溶液界面聚合(方程式1)60s。用乙醇冲洗膜上残留下溶剂,25?放置30min,空气湿度55%,待溶剂挥发后用去离子水冲洗后放入超纯水中保存[21],制得正渗透膜。

将所得的聚酰胺正渗透复合膜用自来水漂洗除去残留的单体和溶剂,然后进行性能测试和表征。1.3性能评价

实验室自制正渗透膜性能测试装置如图1,以去离子水为原料液,1mol/L的氯化钠溶液为汲取液,膜的有效测试面积为0.0048m2。测试溶液的温度为25?,错流速度分别为6.0cm/s或12.0 cm/s,膜的分离层朝向原料液,测试时间为1h,系统开始运行15min待稳定后开始记录数据,每张膜平行测定3次,取其平均值。

第10期宁静恒等:

正渗透复合膜的制备及表征

图1实验室正渗透性能测试装置图Fig.1

Schematic diagram of laboratory-scale forward osmosis system

水通量[

J w ,L /(m 2·h )]和反向盐通量[J s ,g /(m 2·h )]计算方法见式(2)和(3)

[22]

。J w =

ΔV feed

A m ·Δt

(2)

式中:A m 为测试膜面积(m 2

);Δt 为测试时间(h );

ΔV feed 为原料液在t (h )时间内的体积变化,

可由天平质量变化计算得到。

J s =

V t ?C t -V 1?C 1

A m ·Δt

(3)

式中:V t 和C t 分别是t 时刻原料液的体积(L )和浓度(g /L );V 1和C 1分别是t =0时刻原料液的体积

(L )和浓度(g /L );体积可由质量变化计算得到(由于盐的渗入较少,忽略体系密度变化)。盐浓度C t 和C 1等可由电导率仪测量溶液中的

电导率值后,经过电导率-浓度标准曲线计算得到。

1.4

表征方法

用测厚仪(BC-01,上海九量五金工具有限公

司)测量膜的厚度;用接触角测量仪(OCA-20,德国

dataphysics 公司)测定膜与水接触角;用扫描电子显微镜(JSM-7001F ,日本电子厂家)表征膜的表面和

断面形貌结构;用原子力显微镜表征膜表面的粗糙度(Lecia-TCS -SP5,德国Lecia 公司);通过式(4)计算膜的孔隙率ε

[22]

。ε=

(W 1-W 2)/ρH 2O

V

(4)

式中:W 1为湿膜的重量(g );W 2为干膜的重量(g );ρH 2O 为水的密度(g /mL );V 为膜的表观体积(mL )。

2

结果与分析

将按照上述实验方法制备的膜标记为A (9%PSf /PVP /LiCl ,添加了0.5%PVP 和3%的LiCl ),对比HTI 公司生产的三醋酸纤维素正渗透膜B (CTA-NW ,底层无纺布支撑)和C (CTA-ES ,内嵌格网支撑)进行结构和性能分析。2.1添加剂对膜的影响

2.1.1对膜结构的影响

图2给出了不同添加剂对膜的结构的影响。总的说来,

所有膜支撑层部分呈现疏松的大孔结构,表面是一层薄且致密的海绵状孔。这是因为当铸膜液进入凝胶浴后,聚合物最先快速析出形成致密海绵

状层,随着溶剂NMP 和非溶剂水之间相互扩散,

(A 1:无添加剂;A 2:添加0.5%PVP ;A 3:添加3%LiCl ;A :添加0.5%PVP 和3%LiCl )

图2

不同添加剂的膜表面和断面SEM 图(PSf 浓度:9%)

Fig.2

SEM images of FO membranes with different additives (PSf concentration :9%)

5

814

环境工程学报第8卷

海绵层的下方形成大孔核[23]。由于NMP是聚砜的良溶剂[24],向外溶出的速度比较慢,溶出速率慢的溶剂将诱导非溶剂水快速溶入聚合物膜。随着水向膜中溶入的速度超过NMP溶出的速度,大孔核就会向膜内增长,形成指状孔,孔隙率变大。本研究采用纯水作凝胶浴,有利于水快速向膜中溶入,形成直行从图2表面SEM图看出,所有的膜表面都呈现不同程度的脊谷,其中A1(无添加剂)和A2(添加PVP)表面粗糙度比较大,有明显的脊谷,A(添加PVP和

LiCl)和A

3

(添加LiCl)相对平滑一些,但是表面也有突起,说明LiCl对表面平整度有影响。从断面结构SEM看到,A1(无添加剂)和A2(只添加PVP)支撑层比较厚重凌乱没有明显规律,表面附近的海绵状孔厚度较添加氯化锂的膜的厚度大,指状孔均一性也差,分离层相对致密;A(同时添加PVP和LiCl)和A3(只添加LiCl)支撑层是均一的长长的指状孔,孔与孔之间比较松散,表面的聚酰胺层明显比A1和A2稀薄,皮层上的空隙大,说明添加氯化锂能够得到均一的指状大孔。表1给出了不同添加剂的膜结构参数,可以看出,添加LiCl的膜孔隙率较高,更有利于通量提高。结合图3中膜的AFM图能看出

A

1

(无添加剂,Ra=46.8nm)表面是最粗糙的,粗糙度远大于A(添加PVP和LiCl,Ra=16.2nm)和A2(只添加PVP,Ra=20.3nm),说明PVP可以降低膜表面聚酰胺粗糙度。聚砜海绵层比较粗糙,聚酰胺界面聚合后部分会沉积在海绵层的空隙内,部分裸露在外面,添加PVP可以改善聚砜海绵层更有利于与聚酰胺结合,得到较均匀平整的表层。

表1添加剂对膜结构和表面特性的影响

Table1Effect of additives on structure and

surface characteristics of FO membrane

序号组成膜厚(μm)孔隙率(%)与水接触角(?)

A9%PSf/PVP/LiCl12268.048.5

A19%PSf10527.366.9

A29%PSf/PVP13531.349.3

A39%PSf/LiCl12472.164.8 2.1.2对膜表面亲水性的影响

添加剂对膜接触角的影响见图4和表1。可以看出,加入PVP的膜A和A2的亲水性明显好于膜

A

1

和A3,说明PVP有增强膜亲水性的效果。2.1.3对膜性能的影响

对含有不同添加剂膜A1、A2和A3进行FO

(A:9%PSf/PVP/LiCl;A1:9%PSf;A2:9%PSf/PVP)

图3不同膜的AFM图

Fig.3AFM images of FO

membranes

(A1:无添加剂;A2:添加0.5%PVP;A3:添加3%LiCl;

A:添加0.5%PVP和3%LiCl)

图4添加剂对膜接触角的影响

Fig.4Effect of additives on contact angle

of FO membrane surface

能测试,结果如表2所示。可见,添加PVP和LiCl 后,膜的通量显著提高,但是反向盐渗透通量也提

6814

第10期宁静恒等:正渗透复合膜的制备及表征

高,表明脱盐率略微下降。特别是仅仅加入LiCl

时,尽管水通量提高,但是反向盐通量是原来的3

倍,说明单独加入LiCl在很大程度上会降低截盐

率,同时添加了PVP和LiCl的膜既具有较高的水通

量,也具有适中的反向盐通量,表现出优异的正渗透

性能,这可能是正渗透膜结构包含一层薄的致密皮

层(又称活性层)和一层多孔支撑层。合适的多孔

支撑层结构将会最大化的降低内浓差极化(公式

5)。

表2添加剂对膜性能的影响

Table2Effect of additives on membrane performance

序号组成

水通量

(L/(m2·h))

反向盐通量

(g/(m2·h))

A9%PSf/PVP/LiCl11.916.1 A19%PSf6.98.4 A29%PSf/PVP6.712.5 A39%PSf/LiCl8.427.3注:错流速度6.0cm/s.

膜层内溶质扩散阻力[25]

K=tτ

εD

(5)

式中:D代表溶质扩散系数;t、τ、ε分别代表膜的厚度、弯曲系数和孔隙率。K可以用来表征溶质通过扩散作用进出膜层的难易程度,因此可以用来量度内浓差极化的难易程度。正渗透过程中唯一有效减少内浓差极化的方法是减少溶质扩散阻力K[21],对于给定溶质的系统(D恒定),降低扩散阻力的关键就是降低tτ/ε,只有改善膜的结构参数,也就是通过降低膜的厚度、提高孔隙率和降低孔道弯曲度来降低内浓差极化。此外,支撑层优良的亲水性可以明显增加不对称膜的水通量,支撑层的疏水性不仅加重膜的内浓差极化现象,同时扰乱膜内水的连续性,从而减少水的传递路径。PVP可以增强支撑层的亲水性提高水通量降低膜污染,同时PVP自身很好的成膜性和粘结性有助于膜的形成。LiCl可以优化膜支撑层的结构,提高孔隙率,降低海绵层的厚度,形成直行的指状孔,有效减弱内浓差极化。表2结果表明了添加剂的加入有效提高了膜的性能。

2.2聚砜浓度对膜的影响

2.2.1对膜结构和表面润湿性的影响

同时添加PVP和LiCl,制备不同聚砜浓度的正渗透膜,聚砜浓度对膜结构的影响如图5和表3所示。随着聚合物的浓度从9% 15%不断增加,膜孔隙率减小,指状孔孔径变小,膜层变厚,分离层粗糙度增大,越来越致密。此外,实验用质量分数8%聚砜同一条件下制膜,由于溶液粘度过低,膜的机械强度很低,成膜性不好,得到膜面有很多小孔塌陷,不能用于实验

(A:9%PSf;A4:11%PSf;A5:13%PSf;A6:15%PSf)

图5不同聚砜浓度的正渗透膜表面和断面SEM图

Fig.5SEM images of FO membranes

with different PSf concentrations

表3聚砜浓度对膜结构和表面特性的影响Table3Effect of PSf concentration on structure and surface characteristics of FO membrane

序号聚砜浓度(%)膜厚(μm)孔隙率(%)与水接触角(?)A912268.048.5

A41113142.050.0

A51313734.851.7

A61515029.551.1

在相转移过程中,除了热力学条件的影响外,聚合物凝胶主要受到非溶剂和溶剂溶入溶出聚合物膜的速率影响。最终形成的聚合物膜的形态依赖于溶剂-非溶剂相互扩散和聚合物玻璃化之间的平衡[26]。通常,随着聚合物的浓度增加,铸膜液的粘度也会变大,这样就会减慢溶剂-非溶剂之间扩散速率,整个混合过程变慢。而且,当用高浓度聚合物溶液铸膜的时候,沉析孔道就会在较高的聚合物浓度处形成。这些因素结合,产生的膜比较厚,低孔隙率,大孔的形成也很少。

聚砜浓度对膜表面的润湿性影响结果如表3。随着浓度的增加,膜与水接触角度数变化不大,说明浓度对膜的亲水性影响较小,可以看出支撑层孔结

7814

环境工程学报第8卷

构和膜的亲水性没有关系。2.2.2对膜性能的影响

对含有不同浓度聚砜的膜进行正渗透性能测试,得到的水通量和反向盐通量,结果如图6所示。可见,随着聚砜质量分数从9% 15%增加,膜的FO 水通量依次降低,盐通量依次降低,截盐率依次升高。9%聚砜的FO 膜的水通量最高,达到11.9L /(m 2·h ),反向盐通量也最高。15%聚砜的FO

膜水通量最低,仅为2.8L /(m 2

·h ),盐通量为4.1g /(m 2·h )。说明随着聚砜浓度提高,膜厚度增加,孔隙率降低,膜更致密,使得t τ/ε增加,内扩散阻力系数增加,使得内浓差极化增加,水通量降低。反向盐通量主要受活性层决定,高浓度聚砜使得支撑层更致密,使得聚酰胺活性层结合更紧密,脱盐率提高,反向盐渗透率降低。

2.3与其他正渗透膜的结构和性能对比2.3.1

膜结构和表面润湿性对比

图7给出了本研究制备的正渗透膜与HTI 公司

2种正渗透膜的SEM 对比图。从表面的SEM 图发

现,A 表面是粗糙的,有突起的峰和谷,这是典型的

聚酰胺层特点[27]

。B 和C 比较平整,

B 表面有褶皱,

C 由于内嵌了无纺布能够明显看到表面呈现高低起伏波纹状。B 和C 表面的颗粒是性能测试中残留的氯化钠小分子。在断面SEM 图中,可以看出

A

图6不同聚砜浓度对正渗透膜性能的影响

(错流速度:6.0cm /s )

Fig.6

Effect of PSf concentrations on membranes

performance (cross-flow velocity :6.0cm /s )

的支撑层部分呈现大且均一的指状孔,表面是一层

薄且致密的海绵状孔。B 和C 表层是致密皮层,B 中间是小孔过渡层然后是支撑层,而且B

中使用的

(A 为添加PVP 和LiCl 的正渗透复合膜,聚砜浓度9%;B 为HTI 型号CTA-NW ;C 为HTI 型号CTA-ES ;D 为文献[28]报道复合膜)

图7不同正渗透膜的表面和断面SEM 图Fig.7

SEM images of different FO membranes

8

814

第10期宁静恒等:正渗透复合膜的制备及表征

表4

FO 膜的性能对比

Table 4

Comparison of FO membranes performance

膜成分汲取液(mol /L )渗透压差(MPa )

错流速度(cm /s )

水通量(L /(m 2·h ))

反向盐通量(g /(m 2·h ))

来源A 聚酰胺复合膜1.0mol /L NaCl 4.8912.021.919.9本文B (CTA-NW )1.0mol /L NaCl 4.8912.09.56.7本文C (CTA-ES )1.0mol /L NaCl 4.8912.014.48.1本文聚酰胺复合膜1.5mol /L NaCl 7.5121.418.0-[20]聚酰胺复合膜

2.0mol /L NaCl

9.96

16.7

21.0

2.2

[28]

注:所有的测试都是以去离子水为原料液在25?进行的,

渗透压差是通过OLI Stream Analyzer 2.0软件计算得到[20]无纺布厚度较C 的高很多,导致膜整体厚度较大,而

C 的膜厚度不均匀,格网存在产生的厚度差近30μm 。从表4可以看出,尽管膜A 的厚度介于2种商用膜之间,但是孔隙率远高于商用膜。对比文献28中采用聚砜界面聚合后制备的复合膜,图7中

D 膜所示,可以看到类似的指状大孔支撑层和致密的海绵状层,但其下层指状孔更加疏松,相比孔隙率较大。

图8给出了本研究制备的正渗透膜与HTI 公司2种正渗透膜的接触角对比图,膜A 、

B 和

C 与水接触角是分别是48.5?、76.5?和73.5?,说明聚酰胺复合膜的亲水性明显高于三醋酸纤维素膜

(A 为添加PVP 和LiCl 的正渗透复合膜,聚砜浓度9%;

B 为HTI 型号CTA-NW ;

C 为HTI 型号CTA-ES )

图8不同正渗透膜表面与水接触角图Fig.8

Contact angle of FO membranes surface

2.3.2

膜的FO 性能对比

对比测试自制复合膜和商用膜的正渗透性能,结果如表4所示。在12.0cm /s 错流速度下,其他测试条件不变,自制聚酰胺复合膜A 的水通量达到了21.9L /(m 2

·h ),高于2种商用膜B (CTA-NW ,9.5L /(m 2·h ))和C (CTA-ES ,14.4L /(m 2·h )),但是反向盐渗透量比商用膜高,

这都是和膜本身结构和性质有关的。A 膜的厚度为122μm (湿膜),孔

隙率为68.0%。膜孔隙率是膜支撑层和表层结构的表现,这里起决定因素的还是膜的支撑层。聚砜支撑层的疏松孔大,比无纺布的孔隙率大得多;同时自制复合膜的厚度适中,作为聚酰胺膜,表面亲水性

比三醋酸纤维素膜亲水性好;所以综合表现自制复

合正渗透FO 水通量较高。三醋酸纤维素稳定性差易分解,总体情况下膜A 的性能要优于膜B 和膜C 。

由表4可看出,与文献报道的复合膜相比,自制膜在较低的错流速度(12.0cm /s )和渗透压差下(4.89MPa ),通量达到了文献报道的水平,

说明自制膜的通量指标优于表中文献报道的复合膜。也可以看出,自制膜的反向盐渗透量比文献报道膜高,对比图7,可能与文献膜相对较薄的皮层有关。

3结论

(1)氯化锂可以优化膜支撑层的结构,提高孔隙率,降低海绵层的厚度,有效减弱内浓差极化;而PVP 由于自身很好的成膜性、粘结性和吸湿性有助于膜的形成,同时增强了膜的亲水性,提高水通量。

(2)随着聚砜浓度增大,支撑层孔隙率变小,不利于水的运输;海绵状层变厚,生成的聚酰胺层过于致密,加重过程内浓差极化,水通量降低。(3)加入0.5%PVP 和3.0%氯化锂混制备的复合膜,水通量均高于同等测试条件的HTI 公司两

种商用三醋酸纤维素正渗透膜(CTA-NW 和CTA-ES )和文献报道的正渗透复合膜通量水平,

并维持了一定的截盐率,

表现出优异的正渗透性能。参考文献

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0914

薄膜制备及表征

1.薄膜制备技术代表性的制备方法 物理气相沉积法(PVD)(粒子束溅射沉积、磁控溅射沉积、真空蒸镀):表示在真空条件下,采用物理方法,将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。 化学气相沉积法(CVD):气相沉积过程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反应,因此称为化学气相沉积法 2.薄膜的表征技术 2.1 薄膜厚度:几何厚度、光学厚度、质量厚度 几何厚度:等厚干涉条纹法、等色干涉条纹法 2.2 结构表征 (1)薄膜的宏观形貌,包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等; (2)薄膜的微观形貌,如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等; (3)薄膜的显微组织,包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组态等。 扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (SEM): 透射电子显微镜Transmission Electronic Microscope X射线衍射方法 低能电子衍射(LEED)和反射式高能电子衍射(RHEED) 扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope-STM) 原子力显微镜(AFM) 2.3 成分表征 原子内的电子激发及相应的能量过程 X射线能量色散谱(EDX) 俄歇电子能谱(AES) X射线光电子能谱(XPS) 卢瑟福背散射技术(RBS) 二次离子质谱(SIMS) 3. 各种特种薄膜的应用 金刚石薄膜:高硬度、高耐磨性使得金刚石薄膜成为极佳的工具材料;金刚石具有极高的热导率,这使得金刚石成为极好的高功率光电子元件的散热器件材料;金刚石在从紫外到远红外的很宽的波长范围内具有很高的光谱透过性能以及极高的硬度、强度、热导率以及极低的线膨胀系数和良好的化学稳定性,这些优异性质的综合使得金刚石薄膜成为可以在恶劣环境中使用的极好的光学窗口材料。 硬质涂层:按其材料类别被细分为陶瓷以及金属间化合物两类 热防护涂层:热防护涂层通常是由一层金属涂层和一层氧化物热防护层组成的复合涂层防腐涂层:陶瓷材料涂层、高分子材料涂层、阳极防护性涂层

水溶性荧光纳米银簇的合成与表征

前言 已故物理学家理查德·费曼在1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲时提出了一个新的想法。从石器时代开始,人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术,都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道,为什么我们不可以从另外一个角度出发,从单个的分子甚至原子开始进行组装,以达到我们的要求?他说:“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”这是纳米技术的灵感的来源。 纳米(nanometer),是一种长度单位,一纳米等于十亿分之一米,大约是三四个原子排列起来的宽度。纳米材料又称超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒子一般是指尺寸在1 - 100 nm间的粒子,处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米科学技术(nano - technology),是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。它以现代科学技术为基础,是现代科学和现代技术相结合的产物。纳米科学技术将使人们迈入了一个奇妙的世界[1]。 纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代,随着其制备和改性技术的不断发展,纳米材料在诸多领域将会得到日益广泛的应用,在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有关广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生,将对人类社会产生深远的影响,并有可能从根本上解决人类面临的许多问题,特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。 金属纳米材料是纳米材料的一个重要分支,它以贵金属金、银、铜为代表,其中因为纳米银具有很高的表面活性、表面能催化性能和电导热性能,以及优良的抗菌杀菌活性,在无机抗菌剂、催化剂材料、电子陶瓷材料、低温导热材料、电导涂料等领域有广阔的应用前景而得到最多的关注,如在化纤中加入少量纳米银,可以改善化纤制品的某些性能,并使其具有很强的杀菌能力;在氧化硅薄膜中加加少量的纳米银,可以使得镀这种薄膜的玻璃有一定的光致发性。 纳米银团簇就是将粒径做到纳米级的金属银单质。纳米银粒径大多在25 nm 左右,对大肠杆菌、淋球菌、沙眼衣原体等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用,而且不会产生耐药性。纳米银杀菌具有广谱抗菌、强效杀菌等一系列特点,能杀灭各种致病微生物,比抗菌素效果更好。10 nm大小的纳米银

银纳米粒子的合成和表征实验报告

银纳米粒子的合成和表征 一、实验目的 1、学会还原法制备银纳米粒子的方法; 2、熟练掌握TU-1901紫外分光光度仪测量吸收光谱; 3、锻炼实验操作能力以及根据实验现象分析原理,独立思考能力。 二、实验原理 1、化学还原法制备纳米银: 2KBH4+2AgNO3+6H2O→2Ag+2KNO3+2H3BO3+7H2↑ (反应开始后BH4-由于水解而大量消耗:BH4-+H++2H2O→中间体→HBO2+4H2↑) 还原法制得的纳米银颗粒杂质含量相对较高,而且由于相互间表面作用能较大,生成的银微粒之间易团聚,所以制得的银粒径一般较大,分布很宽。 2、TU-1902双光束紫外可见分光光度仪 测量原理:由于银纳米粒子的粒度不同,对于不同波长的光有不同程度的吸收,根据其吸收特性,即最大吸收峰对应的波长,可以判断粒子的大小。 银纳米粒子平均粒径与λmax: 平均粒径/nm <10 15 19 60 λmax/nm 390 403 408 416 三、实验仪器与试剂 仪器:电子分析天平、磁力搅拌器、量筒(5mL)、烧杯(一大一小)、移液管(5mL)、容量瓶(50mL)、比色管(50mL)、TU-1902双光束紫外可见光谱仪、滴管、洗瓶、洗耳球、手套等。 药品试剂:1mmol/L AgNO 3溶液、KBH 4 (固体)、蒸馏水、冰块等。

四、实验步骤、实验现象及数据处理 1、配制1.5mmol/L KBH4溶液 (1)减量法称取0.04gKBH4固体于小烧杯中,少量蒸馏水溶解,转移至 50mL容量瓶中,用蒸馏水洗涤并将洗液转移至容量瓶中(重复3次),用蒸馏水定容至刻度线,摇匀。得15mmol/L KBH4溶液。 (2)用移液管移取上述溶液5mL至50mL比色管,用蒸馏水定容至刻度线,摇匀。得1.5mmol/L KBH4溶液。 实验数据:m(KBH4)=22.6177g-22.5792g=0.0385g c1(KBH4)=m/(MV)=0.0385g/(53.94g/mol×50mL)=14.3mmol/L c(KBH4)=c1V1/V2=(14.3mmol/L×5mL)/50mL=1.43mmol/L 2、制备纳米银: 量筒移取15mL1.5mmol/L KBH4溶液于烧杯中,放入磁子,在冰浴、搅拌条 溶液,继续搅拌15min。 件下,逐滴加入2.5mL1mmol/LAgNO 3 现象:开始滴加AgNO 后溶液变黄,之后颜色逐渐加深,一段时间后变成黄 3 棕色。 3、银纳米粒子的表征 (1)测量银纳米粒子的吸收曲线: 光谱测量→设置测量参数→基线测量(蒸馏水)→样品测量→导出数据(得表1): 波长(nm) 吸光度A 波长(nm) 吸光度A 波长(nm) 吸光度A 500 0.716 430 0.903 360 0.877 495 0.721 425 0.939 355 0.837 490 0.727 420 0.972 350 0.794 485 0.733 415 1.013 345 0.753 480 0.74 410 1.03 340 0.712

锂离子电池正极材料制备与表征.

第 32卷第 1期吉首大学学报 (自然科学版 Vol. 32 No. 1 2011年 1月 Journ al of Jishou University (Natural Science Edition J an. 2011 文章编号 :1007-2985(2011 01-0088-05 正极材料 Li(Ni 1/3C o 1/3Mn 1/3 1-x Cr x O 2的合成与表征 *梁凯 1, 2, 莫如宝2, 刘建本 2, 何则强 1, 2 (1. 生态旅游应用技术湖南省重点实验室 , 湖南吉首 416000; 2. 吉首大学化学 化工学院 , 湖南吉首 416000 摘要 :采用草酸盐共沉淀法合成一系列的 Li(Ni 1/3Co 1/3M n 1/3 1-x Cr x O 2正极材料 (0 x 0. 1 , 用 X 射线衍射仪 (XRD 和扫描电子显微镜 (SEM 分析合成 产物的晶体结构及表面形貌 ; 利用充放电仪测定了产物的电化学性能 . 结果表明 , 合成的 L i(N i 1/3Co 1/3M n 1/3 1-x Cr x O 2(x =0. 01, 0. 03, 0. 05, 0. 07 均保持 - 2NaFeO 2层状结构相 , 属于空间 R3m 点群 . L i(Ni 1/3 Co 1/3M n 1/3 0. 95Cr0. 05O 2的电化学性能最佳 , 首次放电容量达 158. 6mA h/g, 在 2. 5~4. 5V 区间 30次循环后比容量衰竭率仅为 3. 92%.Li(Ni 1/3Co 1/3M n 1/3 0. 95Cr 0. 05O 2和 Li(Ni 1/3Co 1/3M n 1/3 CrO 2的电极阻抗变化不同 , 进而影响其电化学性能 . 关键词 :锂离子电池 ; 正极材料 ; 掺杂 ; 电化学性能 中图分类号 :O614. 111; T M 912. 9 文献标志码 :A 锂离子电池因具有比能量高、循环性能好、自放电小、无记忆效应等优点[1], 近年在数码相机、笔记本电脑、电动车及军用通信等领域得到广泛运用 . 目 前 , 研究较多的正极材料主要有层状 LiCoO 2[2]、 LiNiO 2[3]、 LiM nO 2[4]及三元材料 Li(Ni 1/3Co 1/3M n 1/3 CrO 2[5]、尖晶石状 LiMn 2O4[6], 橄榄石型 LiFePO 4[7]等 , 但这些材料都各有优缺点 :如市场上占据领导地位的商业化正极材料LiCoO 2是运用最为成熟的正极材料 , 但 Co 元素价格昂贵且对环境会造成污染 [8]; 尖晶石状 LiMn 2O 4价格相对低廉且较为安全 , 但由于 Jahn Teller 效应 [9]等原因 使得材料循环性能较差 ; 橄榄石型 LiFePO 4具有循环性能好、安全无污染等优点 ,

碳点制备总结

碳量子点和碳纳米管、石墨烯一样是一种新型碳纳米材料,除了碳材料本身的低毒特性,原材料丰富,生物相容性好之外,碳量子点还有一系列其他的独特的性质,例如:多色荧光性、荧光稳定性、导电性和催化特性等。常用来制备碳量子点的方法分为自上而下和自下而上两种方法,其中自上而下的方法是指大分子碳材料通过一定的物理、化学等方法破碎成小分子的碳纳米颗粒,包括:电解法、酸刻蚀、激光刻蚀和高温热解等方法。而自下而上的方法是指将小分子的碳材料通过一定的化学手段合成团聚成更大分子量的碳纳米颗粒,其中包括:化学合成法、水热法、溶剂热法、等方法。 其中我们主要挑选了几种比较常见的制备碳量子点的方法。自上而下中最长用的是酸刻蚀自然界存在的碳源,或者人工合成出来具有特定结构的碳源,前者是对自然存在的碳源加以利用,后者是为了得到更好的碳结构而处理的。常用酸刻蚀的自然界的碳源包括动物毛发、植物纤维等,例如酸刻蚀人类头发[3],这类材料最大的特点就是原料丰富,价格低廉,是材料多级利用很好的选择。另外常用碳纤维、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等结构有序的碳材料[4-8]作为碳点的制备原材料,这类材料可以给碳量子点提供更加规则,具有高度结晶特性的结构。碳量子点一般选择硫酸和硝酸等稳定的浓酸作为溶剂刻蚀碳材料,硝酸和硫酸按体积比3:1的混酸是现在酸刻蚀碳材料制备碳量子点的主要方法。这种方法可以根据不同的需要来调节碳量子点表面的含氧基团,是一种表面改性的很好的方法。但是由于酸的引入很难简单地分离和纯化,这也是限制这种方法发展的主要原因。此外除了酸刻蚀方法外,电化学方法点解石墨棒也得到了很大的发展[1].将电极两端接上一定的电压电解成碳量子点溶液,这种方法简单,易操作,而且基

纳米材料的制备与表征摘录(打印)

纳米材料的制备与表征方法摘录 作者姓名:彭家仁 单位:五邑大学广东江门 摘要:被誉为“21世纪最有前途的材料”的纳米材料同信息技术和生物技术一样已经成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的结构特性和性能、应用及制备方法与表征进行了综述。旨在为纳米材料的应用及其制备提供理论指导。 关键词:纳米材料;结构特性;特异效应;应用;制备方法 Methods of Preparation and Characterization of nano-materials Kevin Peng (WUYI University Jiangmen Guangdong) Abstract:The nano-materials known as“the most promising material in the21st century”along with the information technology and the biotechnology has become one of the three pillars of the socio-economic development and the strategic high ground in the21st century.Because of the special structure of the nano-materials,as well as its specific effects and performance,thenano-materials have the special purposes other than the conventional materials. In this paper,we search for the structural properties,specific effect and the performance and the Synthesis and Characterization of nano-materials.The purpose is to provide theoretical guidance for the application and preparation of nano-materials. Keywords:nano-materials;structural properties;specific effect;applications;preparation methods 0前言 从人类认识世界的精度来看,人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初,德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料”的概念,随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1~100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲,则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次,是交叉学科跨世纪的战略科技领域。

纳米银的制备及应用研究进展

湖南工程学院 课程论文 学院化学化工学院班级化工1103 姓名吴飞学号201106010305 课程论文题目纳米银的制备及应用研究进展课程名称学科前沿讲座 评阅成绩 成绩评定老师签名 日期:2014 年10 月11 日

纳米银的制备及应用研究进展 吴飞 (湖南工程学院,湖南湘潭 411100) 摘要纳米银具有独特的热光、电磁、催化和敏感等特性,具有广阔的应用前景,是金属纳来材料研究的热点.阐述了制备纳米银的方法,包括化学还原法!光化学还原法!模板法!溶胶一凝胶法! 微乳液法激光烧蚀法等,列举了纳米银在化学反应!光学领域!杭菌领域和作为杭静电材料的主要应用,简述了纳米银制备过程中存在的不足,展望了纳米银合成研究的发展趋势. 关键词纳米银制备方法应用 Research Progress of Preparation and Application of Silver Nanomaterial Wu Fei (Hunan lnstitute of Engineering,Hunan Xiangtan 411100) Abstract Silver nanomaterial, one of the most active researeh fields in the metal nanometer materials, has a wide arnge of applications because of its unique heat , light , electricity and magnetism , catalysis and sensitive features .The prePartion methods of silver nanoparticles are discussed ,including chmeical reduction , photoehmeical reduction ,template , sol-gel method, microemulsion , laser ablation method and so on.Their main applications of nano-silver in chmeical reactions , optical field, anti-bacterial field and anti-static materials are introduced.The shortages in the fabrica -tion process of silver nanomaterial are also outlined. The developing trends of the synthetic technique in the Preparation of the silver nanomaterials are Prospected. Key words silver nanoparticle,preparation,application 前言 纳米银是指粒径为1~100 nm的金属银单质,是一种新兴的功能材料。纳米银独特的热、光、电、磁、催化和敏感等特性引起了化学、物理和材料学家的广泛兴趣,特别是一维、二维的纳米银材料,例如,单分散的纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米板材和纳米立方体等被认为在化学反应、抗菌和其它领域具有很大的潜在应用。 纳米银具有很高的比表面积和表面活性川,导电率比普通银至少高20倍,因此,广泛用作催化剂材料、防静电材料、低温超导材料和生物传感器材料等阅。另外,纳米银还具有抗菌功能,可应用于医药行业。因此,研究纳米银的制备方法具有重要意义。本文就近年来应用较多的纳米银的合成方法进行了评述,并对其应用作了简要的总结。 1纳米银的应用 纳米银粉基于其粉体粒径小,而具有比表面积大、表面活性点多、催化活性高、熔点低、烧结性能好等优点,此外,它还保留了金属银的导电性好、抗菌性能好,电铸银颜色光亮的优点,使得纳米银粉在热、电、光、声、磁和催化方面具有广阔的应用前景。 1.1纳米银应用于催化领域 纳米银粉由于粒径小、比表面积和表面能高、表面活性点多、表面原子的配位情况与颗粒内部原子有很大差异,具有优良的催化活性和反应选择性,可提高反应效率,因而其催化活性和选

硅纳米管的水热法合成与表征

第26卷 第8期2005年8月 半 导 体 学 报 CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS Vol.26 No.8 Aug.,2005 3教育部博士点基金资助项目(批准号:20040532014)  裴立宅 男,1977年出生,博士研究生,从事硅及相关纳米材料的研究.Email :lzpei1977@https://www.360docs.net/doc/e32288128.html, 唐元洪 通信联系人,男,1965年出生,教授,博士生导师,从事纳米信息材料的研究.Email :yhtang @https://www.360docs.net/doc/e32288128.html, 2004212214收到,2005201224定稿 Ζ2005中国电子学会 硅纳米管的水热法合成与表征 3 裴立宅 唐元洪 陈扬文 郭 池 张 勇 (湖南大学材料科学与工程学院,长沙 410082) 摘要:采用水热法成功合成了新型的硅纳米管一维纳米材料,并采用透射电子显微镜、选区电子衍射分析、能量色散光谱及高分辨透射电子显微镜对合成的硅纳米管进行了表征.研究表明硅纳米管是一种多壁纳米管,为立方金刚石结构,生长顶端呈半圆形的闭合结构,由内部为数纳米的中空结构,中部为晶面间距约0131nm 的晶体硅壁层,最外层为低于2nm 的无定形二氧化硅等三部分组成.关键词:硅纳米管;水热法;结构;表征 PACC :6146;8160C 中图分类号:TN30411 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)0821562205 1 引言 自从碳纳米管[1]及硅纳米线[2,3]等一维纳米材 料被成功合成后,立刻引起了诸多领域科学家的极大关注与浓厚兴趣,一维纳米材料的研究成为了当今基础和应用研究的热点.碳纳米管能否具有金属或半导体特性取决于纳米管的石墨面碳原子排列的螺旋化方向[4,5],然而到目前为止,还没有人成功制备出金属或半导体碳纳米管,因此虽然碳纳米管作为场效应晶体管(FET )及纳米电子集成电路的研究已有报道[6,7],但是碳纳米管在应用上还有很大的局限性.同时由于硅纳米一维材料与现有硅技术极好的兼容性,使其具有代替碳纳米管的潜力.目前已经采用物理及化学方法成功合成了硅的实心一维纳米材料———硅纳米线[8,9],但是由于元素硅的硅键为sp 3杂化,而不是易于形成管状具有石墨结构的sp 2杂化,所以硅的中空一维纳米材料,硅纳米管难于合成.因此,目前在硅纳米管,尤其是自组生长的硅纳米管的合成方面仍是一个极具挑战性的难题.对硅纳米管模型进行理论研究表明硅纳米管可以稳定存在,同时也发现稳定的硅纳米管结构总是具有 半导体性能[10,11].最近Sha 等人[12]以纳米氧化铝沟道(NCA )为衬底模板,以硅烷为硅源、金属Au 为催化剂,于620℃,1450Pa 时通过化学气相沉积催化生长了直径小于100nm 的硅纳米管;J eong 等人[13]在617×10-8Pa 的真空分子束外延生长(MB E )室中于400℃在氧化铝模板上溅射硅原子或硅团簇,并于600或750℃氧化处理后制备了直径小于100nm 的硅纳米管.虽然目前模板法可以制得硅纳米管,但是此法制备过程较复杂,需要模板及金属催化剂,同时实质上所得硅纳米管是硅原子在模板内壁无序堆积形成的. 水热法是制备纳米粉末的常用方法,对于制备具有一维结构的纳米材料鲜有报道.水热法成功合成了碳纳米丝及碳纳米管[14,15]表明,此法在制备一维纳米材料方面也有极大的应用潜力.水热法具有成本低廉、容易操作控制及可重复性好等特点.本文报道在没有使用催化剂及模板的前提下,采用高压反应釜,在超临界水热条件下合成了自组生长的一维纳米硅管,并用TEM ,EDS ,SA ED 和HR TEM 对其结构及成分进行了表征.这是一种真正意义上的硅纳米管,对于组装纳米器件具有重大的应用与研究意义.

多孔碳材料制备与应用

摘要 离子液体因为具有绿色环保、不易挥发、稳定性高以及结构设计性强等特点,最几年在合成碳材料中的应用引起了人们的广泛关注[1]。且因多孔碳材料质量轻,法及其相关表征。稳定性好,耐高温,耐酸碱,无毒性,吸附性好等优点而在多领域中被广泛应用。本文主要介绍的是以PEI(聚醚酰亚胺Polyetherimide)为原料制备离子液体前驱体并制得碳材料的方法。首先通过向原材料PEI中加入溴乙腈(BrCH2CN)制备离子液体前驱体,向得到的离子液体前驱体中加入二氰胺银[AgN(CN)2]进行阴离子交换反应,最后通过活化法得到多孔碳材料。这种方法的最大优点是有较高的碳产率。 关键词:离子液体、阴离子交换法、多孔碳材料

Abstract In recent years,the application of ionic liquid in the synthesis of carbon materials has aroused extensive attention because of its features, such as green, less volatile, high stability and structural design of characters. And because the porous carbon material with light weight, good stability, high temperature resistance, acid and alkali resistant, non-toxic and good adsorption, it has been used in many fields. This paper mainly introduces the PEI (Polyetherimide) prepared for ionic liquid precursors, methods of carbon materials and related characterization.First by PEI of raw materials to join bromoacetonitrile (BrCH2CN) of ionic liquid precursor preparation, obtained by ionic liquid precursor to join dicyanamide silver [AgN (CN) 2] by anion exchange reaction, the activation method of porous carbon materials.The greatest advantage of this method is that there is a high carbon yield. Keywords: Ionic liquid, anion exchange, porous carbon material.

实验三-水热法制备纳米银立方体及光谱分析

水热法制备银纳米立方体及紫外光谱性能研究 一、 实验目的 1掌握水热法合成单分散银纳米立方体的制备方法 2熟悉纳米银立方体的表征方法 二、实验原理 纳米银(Nano Silver )就是将粒径做到纳米级的金属银单质。由于颗粒尺寸微细化,使得纳米银表现出体相材料不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子效应等性质。纳米银形貌和大小会影响其性质,所以可控形貌合成纳米银引起了广泛关注。纳米银对大肠杆菌、淋球菌、沙眼衣原体等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用,而且不会产生耐药性,广泛应用于环境保护、纺织服饰、水果保鲜、食品卫生等领域。 本实验首先以[Ag(NH 3)2]OH 、葡萄糖、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB )为原料,采用人们熟知的银镜反应,水热条件下合成银纳米立方体。 反应方程式如下: [Ag(NH 3)2]+ (aq)+ Br - (aq)错误!未找到引用源。AgBr(s) +2NH 3 (aq) (1) [Ag(NH 3)2]+ (aq) +RCHO (glucose) (aq)错误!未找到引用源。Ag (NPs)+ RCOO - (aq) +2NH 4 + (aq) (2) 反应流程如下: 三、仪器与试剂 试剂:硝酸银、氨水、去离子水、葡萄糖、十六烷基三甲基溴化铵、抗坏血酸。 仪器:烧杯、容量瓶、电子天平、搅拌器、反应釜(25 mL )、紫外可见分光光度计、X 射线衍射仪、扫描电镜、离心机、离心管。 四、实验步骤 1、溶液配制 配制[Ag(NH3)2]OH 30ml :将0.51g ,0.003mol 硝酸银溶解于50ml 的蒸馏水中,向所配置的硝酸银溶液中低价1mol/L 的氨水溶液并剧烈搅拌,直至澄清,想所

碳纳米管复合材料的制备_表征和电化学性能

第11卷 第2期2005年5月 电化学 ELECTROCHE M ISTRY V o.l 11 N o .2M ay 2005 文章编号:1006-3471(2005)02-0152-05 收稿日期:2004-11-02,*通讯联系人T el :(86-592)2185905,E -m a il :qfdong @x m u .edu .cn 973项目(2002CB211800),国家自然科学基金(20373058),福建省科技项目(2003H 044)资助 碳纳米管复合材料的制备、表征和电化学性能 董全峰* ,郑明森,黄镇财,金明钢,詹亚丁,林祖赓 (厦门大学化学系,厦大宝龙电池研究所,固体表面物理化学国家重点实验室,福建厦门361005) 摘要: 作为锂离子电池负极材料,碳纳米管和金属锡或其氧化物都曾引起过人们浓厚的兴趣,但由于其自 身的缺陷,这些材料均未能得到进一步的发展.本文以不同方法合成了碳纳米管和金属锡或其氧化物的复合材料,对其结构、形貌进行表征,并考察它的电化学性能. 关键词: 碳纳米管; 复合材料;制备;电化学性能中图分类号: O 646;T M 911 文献标识码: A 碳纳米管(CNT )是一种新型的碳材料[1,2] .碳纳米管在结构上与其它的碳材料有很大的不同,它不仅具有典型石墨层状结构(管壁),同时又具有无序碳的结构(内外表面的碳层及所附着的无序碳微粒),还具有与MC MB 类似的内腔结构,而且表面及边缘又存在结构缺陷,管与管之间为纳米间隙,管中还存在部分的H 原子掺杂.在制备上,碳纳米管可以通过控制一定的反应条件来调控它的几何结构参数,如管的管壁,外径、内径大小,及管的长度.基于其特殊的结构和高的导电率,吸引了众多研究者开展了大量研究工作,希望它能成为新一代锂离子电池“理想”的负极材料[3,4] . 由于碳纳米管的高比表面及其结构缺陷,锂不仅能嵌入管中的石墨层,还能嵌入它的孔隙及边缘缺陷中,使得它尽管具有高的嵌锂容量,但由于比表面积较大而表现出很大的不可逆容量.又因为在碳纳米管的结构中含有氢原子以及管壁层间和管 腔之内有间隙碳原子的存在[5] ,故其嵌锂容量出现较大的滞后现象.这些都限制了C NT 作为电极活性材料在实际中的应用,所见者只是被用作电极添加剂的报道.本文综合了碳纳米管和锡基材料的优点,规避其本身固有的缺陷,在碳纳米管的表面沉积/包覆锡或氧化锡形成CNT 复合材料,这样不仅可减少碳纳米管的比表面积,同时直接采用金属锡取代锡基氧化物,不存在氧化物的还原过程,从 而大大降低初次充电不可逆容量损失;通过控制反应条件在表面沉积过程中包覆纳米级的锡,使表面沉积/包覆锡的碳纳米管能在保持高容量的同时,也具有良好的循环寿命.此外,还提高了它的体积能量密度. 1 实 验 1.1 碳纳米管的制备 应用Sol -ge l 法制备N i -M g -O 催化剂,方法见文献[6],所用试剂N i (NO 3)2 6H 2O 、M g (NO 3)2 6H 2O 和柠檬酸均为分析纯(上海化学试剂有限公司).将制备好的催化剂称取一定量置于陶瓷舟内,放在反应器的恒温区内,于氢气氛下缓慢升温至700℃,还原一段时间后,降温到600℃稳定10m in ,然后以20m L /m i n 的流量导入C H 4气体,经反应一定时间后自然冷却至室温(冷却过程中继续通气体).用分析纯硝酸(上海化学试剂有限公司,AR 65%)处理反应后的样品,洗涤、烘干后即得到碳纳米管.反应装置是在一个水平放置的管式电炉内放一内径为5c m 的石英管(长140c m ),其恒温区为20c m ,电炉为SK -2-4-12型管式电阻炉(上海实验电炉厂),额定功率4k W ,额定温度1200℃,控温装置为A1-708P A 型程序控温仪(厦门宇光电子技术研究所),流量计为D08-4C /Z M 质量流量控制仪(北京建中机器厂).

微米、纳米级碳材料的溶剂热合成与表征

微米、纳米级碳材料的溶剂热合成与表征 目前,如何控制纳米材料的合成,实现对其生长方向、尺寸、维度、组成、结构以至性能的调控,对于深入研究纳米材料内部结构与其特殊性质之间的关联,并最终使其能够按照人们的意愿进行组装,是材料科学面临的重大课题之一。自从上世纪八、九十年代富勒烯和纳米碳管的相继发现,微尺度碳材料以其独特的物理、化学和机械性能而受到世界范围内科学家的广泛关注。 本论文在纳米碳管的低温液相合成,新型碳空壳结构的设计合成与形成机制研究,碳纳米片层结构的合成与组装等方面取得了一定的成果,并对所获新型微尺度碳结构的物理性质进行了初步研究。此外,还对混合溶剂热条件下碲的重结晶过程进行研究,制备了新型的十字交叉的六足状微结构,并对其形成机制进行了初步探讨。 1.发展了纳米碳管的低温溶剂热制备技术。在对Friedel-Crafts反应机理进行充分分析的基础上,实现了多壁纳米碳管的低温溶剂热合成;通过研究石墨片层与纳米碳管在结构上的相似性,利用微小石墨片层的卷曲,室温下在液态二硫化碳介质中使用超声波处理石墨颗粒成功获得了竹节状纳米碳管。 对这些管状纳米结构形成机制进行研究,提出了纳米碳管形成中的层状卷曲机制。这些方法为研究层状化合物一维纳米结构的形成机制提供了新的思路。 2.根据溶质从过饱和溶液中析出的原理,通过调节系统降温过程,利用高温下不饱和金属镍—碳液态合金成功获得了具有不同形貌的碳空壳结构,并对其之间的转化与联系进行了分析与讨论。 3.发展了多层碳空壳结构的制备方法。 通过金属汞与二硫化碳高温反应获得了双层碳空壳结构,研究并提出了低熔

点非活泼金属与二硫化碳之间高温溶剂热反应中的逐层包覆—硫化机制,在此基础上进一步获得了三层碳空壳结构。相对于单层空壳结构,多层空壳结构拥有更加优越的热稳定性,在复合催化剂载体、物质的分隔储存和输运等方面具有潜在的应用价值。 4.利用碳纳米片层结构生长过程中内部结构缺陷对其生长方向的影响,采用简单的溶剂热法合成了碳纳米片层结构及其花簇状组装体,研究表明所获得的产物具有较大的比表面积,在催化剂载体与气体吸附等领域显示了广阔的应用前景。

纳米材料的制备以及表征教学总结

纳米材料的制备以及表征 纳米科技作为21世纪的主导科学技术,将会给人类带来一场前所未有的新的工业革命。纳米科技使我们人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米材料是目前材料科学研究的一个热点,纳米材料是纳米技术应用的基础。科学家们正致力于研究对纳米材料的组成、结构、形态、尺寸、排列等的控制,以制备符合各种预期功能的纳米材料。 低维纳米材料因其具有独特的物理化学特性以及在各个同领域的广泛应用 而受到国内外许多科研小组的广泛关注。钒氧化物纳米材料因为具有良好的催化性能、传感特性及电子传导特性而成为研究低维纳米材料物理化学现象的理想体系。尤其是对钒氧化合物纳米线、纳米带、纳米管的结构与性能的研究日益深入。另外,稀土正硼酸盐纳米材料因其独特的发光性能、电磁性能引起了广大科研小组的浓厚兴趣,是低维纳米材料领域研究的一个热点内容。 1.绪论 1.1纳米材料的发展概况 早在60年代,东京大学的久保良吾(Kubo)就提出了有名的“Kubo效应”, 认为金属超微粒子中的电子数较少,而不遵守Femri统计,并证实当结构单元变得比与其特性有关的临界长度还小时,其特性就会发生相应的变化。70年代末80年代初,随着干净的超微粒子的制取及研究,“Kubo效应”理论日趋完善, 为日后纳米技术理论研究打下了基础。人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究,描述金属微粒费密面附近电子能级状态的久保理论日趋完善,并且用量子尺寸效应成功地解释了超微粒子的某些特性[3]。最早使用纳米颗粒 制备三维块体试样的是德国萨尔兰大学教授H.Gletier,他于1984年用惰性气体蒸发、原位加压法制备了具有清洁表面的纳米晶Pd、cu、Fe等[4],并从理论及性能上全面研究了相关材料的试样,提出了纳米晶材料的概念,成为纳米材料的创始者。1987年美国Argon实验室sigeel博士课题组用相同方法制备了纳米陶 瓷TIOZ多晶体。纳米技术在80年代末和90年代初得到了长足发展,并逐步成为一个纳米技术体系。1990年7月,第一届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩 召开,标志着纳米科学技术的正式诞生;正式提出了纳米材料学、纳米生物学、

材料制备与表征复习范围2

1材料的性能与材料的成分密切相关,而与其结构无关。这句话对吗? 答:不对。高分子材料的结构决定其性能,对结构的控制和改性,可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点,使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能,从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域,并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。 2什么是能带理论?绝缘体、半导体、和导体的能带结构如何? 答:在形成分子时,原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体是由大量的原子有序堆积而成的。由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大,以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的,即形成了能带。在0K时电子在能带中所占据的最高充填能级称为费米能级。固体的能带可以用能态密度表示,它表示了在单位能量间隔内电子状态的数目。能态密度为零的区间称为禁带,最高完全占据的能带称为价带,最低未完全占据的能带称为导带。 金属材料中导带被部分充填,因而具有电子导电性。 半导体和绝缘体的导带都是空的,价带完全充满,两者的区别是禁带的宽度不同。 绝缘体:价带为满带,禁带较宽达3~6eV,满带电子不能或较难激发到相邻的空带半导体:价带为满带,禁带宽度为0.1~1.5eV,一定条件下满带电子可激发到相邻的空带,从而在满带上留下空穴,空带中的电子和满带中的空穴都参与导电。导体:价带部分填入,电子很容易跃迁到高能态形成电流,或价带为满带,但与相邻空带相连或重叠,相当于一个未满的能带。 4. 超导体的主要性能指标有几个?简述其主要应用领域? 答:三个1)临界温度Tc 2)临界磁场强度Hc 3)临界电流密度Jc 应用领域:超导输电、超导发电机、电能的超导储存、超导磁悬浮、电磁炮、超导计算机、生物超导、医学检测等。 5 超导材料零电阻效应迈斯纳效应 答:具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 在较高的温度时是导体或半导体,甚至是绝缘体,可是当温度降到某一特定值Tc时,它的直流电阻突然下降为零,这一现象称为零电阻效应。 超导态下,外磁场的磁化使超导体表面产生感应电流,感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场相抵消,导致超导体内部磁场为零,即具有完全抗磁性,这种现象就是迈斯纳效应。 6 介电常数的概念 答:介电常数又叫介质常数,介电系数或电容率,它是表示绝缘能力特性的一个系数,以字母ε表示,单位为法/米(F/m)。 定义为电位移D和电场强度E之比,ε=D/Ε。电位移D的单位是库/二次方米(C/m^2)。 7 材料按组成结构分为哪几种材料;按性能分为哪两种材料? 答:从物理化学属性来分,可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。 按化学状态分类金属材料无机物非金属材料陶瓷材料有机材料高分子材料 按物理性质分类高强度材料耐高温材料超硬材料导电材料绝缘材料磁性材料透光材料半导体材料 按状态分类单晶材料多晶质材料非晶态材料准晶态材料 按物理效应分类压电材料热电材料铁电材料光电材料电光材料声光材料磁光材

纳米材料的测试与表征

报告 课程名称纳米科学与技术专业班级电气1241 姓名张伟 学号32 电气与信息学院 和谐勤奋求是创新

纳米材料的测试与表征 摘要:介绍了纳米材料的特性及测试与表征。综合使用各种不同的分析和表征方法,可对纳米材料的结构和性能进行有效研究。 关键词:测试技术;表征方法;纳米材料 引言 纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性,被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中,具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米材料的化学组成及其结构是决定其性能和应用的关键因素,而要探讨纳米材料的结构与性能之间的关系,就必须对其在原子尺度和纳米尺度上进行表征。其重要的微观特征包括:晶粒尺寸及其分布和形貌、晶界及相界面的本质和形貌、晶体的完整性和晶间缺陷的性质、跨晶粒和跨晶界的成分分布、微晶及晶界中杂质的剖析等。如果是层状纳米结构,则要表征的重要特征还有:界面的厚度和凝聚力、跨面的成分分布、缺陷的性质等。总之,通过对纳米材料的结构特性的研究,可为解释材料结构与性能的关系提供实验依据。 纳米材料尺度的测量包括:纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构的测量;纳米线、纳米管的直径、长度以及端面结构的测量和纳米薄膜厚度、纳米尺度的多层膜的层厚度的测量等。适合纳米材料尺度测量与性能表征的仪器主要有:电子显微镜、场离子显微镜、扫描探测显微镜Χ光衍射仪和激光粒径仪等。 紫外和可见光谱是纳米材料谱学分析的基本手段,分为吸收光谱、发射光谱和荧光光谱。吸收光谱主要用于监测胶体纳米微粒形成过程;发射光谱主要用于对纳米半导体发光性质的表征,荧光光谱则主要用来对纳米材料特别是纳米发光材料的荧光性质进行表征。红外和喇曼光谱的强度分别依赖于振动分子的偶极矩变化和极化率的变化,因而,可用于揭示纳米材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面的信息。纳米材料中的晶界结构比较复杂,与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及热处理过程等因素均有密切的关系。喇曼频移与物质分子的转动和振动能级有关,不同的物质产生不同的喇曼频移。喇曼频率特征可提供有价值的结构信息,利用喇曼光谱可以对纳米材料进行分子结构、键态特征分析和定性鉴定等。喇曼光谱具有灵敏度高、不破坏样品、方便快速等优点,是研究纳米材料,特别是低维纳米材料的首选方法。 目前对纳米微观结构的分析表征手段主要有扫描探针显微技术,它包括扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等。利用探针与样品的不同相互作用,在纳米级至原子级水平上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质。例如用STM不仅可以观察到纳米材料表面的原子或电子结构,还可以观察表面存在的原子台阶、平台、坑、丘等结构缺陷。高分辨电子显微镜用来观察位错、孪晶、晶界、位错网络等缺陷,核磁共振技术可以用来研究氧缺位的分布、原子的配位情况、运动过程以及电子密度的变化;用核磁共振技术可以研究未成键电子数、悬挂键的类型、数量以及键的结构特征等。 测试技术的发展 纳米测试技术的研究大致分为三个方面:一是创造新的纳米测量技术,建立新理论、新方法;二是对现有纳米测量技术进行改造、升级、完善,使它们能适应纳米测量的需要;三是多种不同的纳米测量技术有机结合、取长补短,使之能适应纳米科学技术研究的需要。纳米测试技术是多种技术的综合,如何将测试技术与控制技术相融合,将探测、定位、测量、控制、信号处理等系统结合在一起构成一个大系统,开发、设计、制造出实用新型的纳米测量系统,是亟待解决的问题,也是今后发展的方向。随着纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进步,将需要更新的测试技术和手段来表征、评价纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚

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