納米氧化鎳的合成研究

史晉宜，支玉杰

（吉林化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，吉林 吉林 132022）

氧化鎳作為一種非常常見的固體無機材料，在很多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。相比普通的氧化鎳顆粒，納米氧化鎳的性能更優(yōu)良，化學(xué)性能和物理性能更加突出，可以用于催化劑、傳感器、陶瓷材料、電池等眾多領(lǐng)域，擁有很好的發(fā)展前景[1]。目前，制備氧化鎳顆粒主要采用固相法、液相法或氣相法等。固相法又可以分為機械合金法和高溫分解法等；液相法可以分為溶劑-凝膠法、水熱合成法和共沉淀法等；氣相法主要指的是噴霧焙燒法[2-7]。

在眾多的合成方法中，固相法和溶劑凝膠法是2種比較常見的固體材料制備方法。固相法具有成本低、產(chǎn)量大以及工藝簡單等優(yōu)點，廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)中；而溶劑凝膠法則是實驗室制備納米材料常用方法之一，因此，本研究中，分別使用固相法中最具代表性的高溫分解法和液相法中的溶劑-凝膠法來合成氧化鎳顆粒，通過對不同合成方法制備的氧化鎳的形貌以及尺寸的分析，獲得不同方法的技術(shù)特征，以便于生產(chǎn)時選擇不同的技術(shù)路線。

1 實驗部分

1.1 合成方法

溶劑-凝膠法實驗步驟。將原料硝酸鎳的陽離子與檸檬酸以摩爾比1:1添加到坩堝中，加入去離子水?dāng)嚢枞芙猓冒彼{(diào)節(jié)pH為8～9，用磁力攪拌器加熱至80 ℃攪拌至產(chǎn)品呈黏稠狀，停止加熱，烘箱調(diào)節(jié)在100～120 ℃，烘干10 h，分別在550、600、700 ℃3 種溫度下用馬弗爐焙燒10 h，自然冷卻到室溫，得到納米氧化鎳產(chǎn)品。

固相法實驗步驟。取一定量的硝酸鎳使用馬弗爐中在550、600、700 ℃3 種溫度下焙燒10 h，即得產(chǎn)品納米氧化鎳。

1.2 表征與分析

納米氧化鎳產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由D80-ADVANCE 型X射線衍射儀（XRD）分析確證，晶體形貌由JSM-6480A 型掃描電鏡（SEM）分析，由Winner 2006粒度儀測量粒徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

圖1和圖2分別為溶劑-凝膠法和固相法在不同溫度下制備的納米硝酸鎳的XRD圖譜。

由圖1和圖2可知，產(chǎn)品粉末的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)氧化鎳圖譜的峰位基本吻合，屬立方晶系的巖鹽結(jié)構(gòu)，由此說明溶劑凝膠法和固相分解法都可以制得NiO 晶體。但在使用溶劑-凝膠法時，在550 ℃和600 ℃的反應(yīng)溫度下，XRD結(jié)果中出現(xiàn)了1 個較小的雜質(zhì)峰，550 ℃時得到的樣品衍射峰強度較小。而在固相熱分解的產(chǎn)品中則沒有這個現(xiàn)象，3 個產(chǎn)品XRD 結(jié)果均未見雜質(zhì)峰，且結(jié)晶度較高。

圖1 溶劑-凝膠法制備納米硝酸鎳的XRDFig 1 XRD of nano nickel nitrate that prepared by solvent-gel method

圖2 固相法制備的納米硝酸鎳XRDFig 2 XRD of nano nickel nitrate that prepared by solid-state method

在溶劑-凝膠法中，加入了大量的檸檬酸作為螯合劑，在高溫下，有機物會分解從而帶走了大量的熱量，使得氧化物的制備需要更長的反應(yīng)時間或者更高的反應(yīng)溫度；而固相法因為沒有添加有機物，使得在相同的反應(yīng)條件下，產(chǎn)品的結(jié)晶度更高一些，但若是反應(yīng)物為2 種以上的陽離子，這時溶劑-凝膠的離子級混合的優(yōu)勢就會體現(xiàn)出來。由此可見，合成NiO 時，固相熱分解法比溶劑-凝膠法所需反應(yīng)條件更溫和一些，工業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)成本會更低一些。

2.2 微觀形貌

圖3為不同合成方法在不同反應(yīng)溫度下制得產(chǎn)品的SEM測試結(jié)果。

由圖3可知，固相熱分解法所制得的產(chǎn)品顆粒均勻、棱角分明、結(jié)晶度好，沒有明顯的團聚、結(jié)塊現(xiàn)象發(fā)生，且隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)品顆粒變得更加的松散。而對于溶劑-凝膠法來說，其產(chǎn)品形狀不是很規(guī)則并且有團聚現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 2種方法制備的納米硝酸鎳SEM照片F(xiàn)ig 3 SEM of nano nickle nitrate that prepared by two methods

在采用溶劑凝膠法制備氧化物時，加入了檸檬酸作為螯合劑，檸檬酸在螯合陽離子的同時也發(fā)生了聚合，這樣使得高溫條件下制得的氧化物發(fā)生團聚現(xiàn)象。這種團聚會使得顆粒的比表面積減小，在一定程度上會影響產(chǎn)品的性能。

2.3 粒度分布

表1 為溶劑-凝膠法和固相法產(chǎn)品粒徑分析結(jié)果。

表1 納米硝酸鎳顆粒的大小和分布Tab 1 Sizeanddistributionofnicklenitratenanoparticles

由表3 可知，隨著溫度的升高，2 種方法得到的產(chǎn)品粒徑都在不斷的增大，這個符合一般高溫反應(yīng)的規(guī)律。固相法合成產(chǎn)物的粒徑明顯小于溶劑-凝膠法的產(chǎn)物，這主要是溶劑-凝膠法得到的產(chǎn)品發(fā)生了團聚。

溶劑-凝膠法是一種液相混合的合成方法，是一種制備納米材料非常重要的手段。其主要是利用有機物的螯合作用將陽離子進行離子程度的混合，因此，在溶液中有2種以上的陽離子時更能體現(xiàn)出其混合優(yōu)勢。而在單一陽離子氧化物的制備過程中，沒有復(fù)合陽離子混合的需求，反而由于螯合劑的聚合使得產(chǎn)品發(fā)生了團聚，由此可見，在單一陽離子氧化物的制備時，固相熱分解法是一種廉價、高效的工藝方法。

3 結(jié) 論

選用溶劑-凝膠法和固相熱分解法制備了納米氧化鎳，結(jié)果顯示，溶劑-凝膠法和固相法均成功合成了納米氧化鎳粉末；用X 射線衍射結(jié)果確證合成的物質(zhì)是氧化鎳顆粒，并隨著溫度的升高，顆粒結(jié)晶逐漸完善；隨著溫度的升高，產(chǎn)品粒徑增大，固相法合成產(chǎn)物的粒徑明顯小于溶劑-凝膠法的產(chǎn)物，這主要是溶劑-凝膠法采用的螯合劑發(fā)生聚合的原因。

由此可知，相對于溶劑-凝膠法，固相法更加適合氧化鎳粉末的制備。