碳酸銨直接沉淀法制備納米氧化鎂的研究

金艷花，潘旭杰，代如梅，張 琴，趙 娜，宗 俊

（華東師范大學(xué)化學(xué)系，上海 200241）

國內(nèi)外眾多材料研究工作者對納米氧化鎂有著廣泛的關(guān)注，它是一種新型的無機功能材料并有廣闊的應(yīng)用前景。近年來已制備出各種形貌的納米氧化鎂，如納米氧化鎂顆粒、氧化鎂納米棒、氧化鎂納米薄膜等［1］。隨著納米技術(shù)的發(fā)展和對納米粉體性能研究的深入，制備納米氧化鎂粉體的方法也越來越多，總的來說是朝著工藝簡單、過程容易控制、成本低廉、尺寸穩(wěn)定和純度高的方向發(fā)展［2-3］。筆者對碳酸銨直接沉淀法制備納米氧化鎂這種簡單工藝進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：JL-1166型激光粒度測試儀、SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵、SGM2893HA電阻爐（馬弗爐）、TGA851e/SF/1100差熱-熱重分析儀、85-2A數(shù)顯恒溫磁力攪拌器、D-78型X射線粉末衍射儀、日立S-4800掃描電子顯微鏡、烘干器、布氏漏斗、抽濾瓶、容量瓶等。

試劑：MgCl2·6H2O、（NH4）2CO3、氨水、聚乙二醇（PEG-200）。

1.2 實驗方法

1）氧化鎂的制備。配制一定濃度的MgCl2（2.00 mol/L）溶液，在恒溫攪拌下將（NH4）2CO3溶液滴加到鎂鹽溶液中，滴加完畢后繼續(xù)攪拌，陳化，過濾洗滌，烘干并進行煅燒。

2）氧化鎂的表征。通過激光粒度測試儀對產(chǎn)品的粒徑分布進行測定，通過XRD和SEM分析產(chǎn)品的晶型和形貌特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿式碳酸鎂的TG-DSC分析

圖1為前驅(qū)體堿式碳酸鎂的差熱-熱重分析曲線。從圖1可以看出，堿式碳酸鎂的分解過程分為3個階段：第一階段從50℃持續(xù)到240℃左右，這一階段的吸熱峰是前驅(qū)體脫去吸附水和結(jié)晶水的過程，質(zhì)量損失率為24.59%；第二階段從240℃到480℃左右，此階段的分解包括了復(fù)雜的物理化學(xué)過程，吸熱峰較弱，質(zhì)量損失率為16.26%；第三階段從480℃到550℃左右，前驅(qū)體的吸熱峰明顯加強，分解速度較快，質(zhì)量急劇下降，質(zhì)量損失率為16.87%。當溫度大于550℃時，TG曲線和DSC曲線均基本不變，說明前驅(qū)體已完全分解為氧化鎂。因此，實驗過程中的分解溫度要高于550℃。但由于煅燒溫度的升高，煅燒后的產(chǎn)物粒子會發(fā)生生長等，使得產(chǎn)品粒徑變大，考慮到這一因素的影響，550℃是實驗過程中煅燒氧化鎂前驅(qū)體的最佳溫度。

圖1 氧化鎂前驅(qū)體的TG-DSC曲線

2.2 影響因素的探究

2.2.1 反應(yīng)溫度對產(chǎn)品純度及粒度的影響

碳酸根與鎂離子的物質(zhì)的量比為2∶1、PEG-200的加入量為1.0 mL、反應(yīng)時間為1 h、煅燒溫度為550℃、煅燒時間為2.5 h，探究反應(yīng)溫度對產(chǎn)物純度的影響。 控制反應(yīng)溫度分別為 30、40、50、60、70 ℃，制備的氧化鎂的XRD譜圖如圖2所示。從圖2可以看出，在反應(yīng)溫度為50℃時，制備的氧化鎂的XRD衍射峰強度最大，無雜質(zhì)峰出現(xiàn)，表明此溫度下得到的產(chǎn)品純度最高，晶型完整。溫度對產(chǎn)品粒徑的影響如圖3所示。從圖3可以看出，產(chǎn)品粒徑隨著反應(yīng)溫度的升高先減小后增大，因為溫度較低時，反應(yīng)速率較慢，不利于反應(yīng)的進行；隨著溫度升高，中間體晶核的形成速度加快，且有利于小顆粒的團聚，相應(yīng)的晶核數(shù)也會增加。但當超過某一溫度后，晶核的生長速度太快，影響中間體的粒度［5］。故而，50℃為最佳反應(yīng)溫度。

圖2 不同反應(yīng)溫度下的氧化鎂XRD圖

圖3 反應(yīng)溫度對氧化鎂粒徑的影響

2.2.2 煅燒時間對前驅(qū)體質(zhì)量損失率的影響

碳酸根與鎂離子的物質(zhì)的量比為2∶1、PEG-200的加入量為1.0 mL、反應(yīng)溫度為50℃、反應(yīng)時間為1 h、煅燒溫度為550℃，探究煅燒時間對前驅(qū)體質(zhì)量損失率的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，一定的煅燒時間內(nèi)，質(zhì)量損失率隨著時間的延長逐漸增加，2.5 h后沒有明顯變化，表明中間產(chǎn)物已完全分解。故而，2.5 h為最佳煅燒時間。

圖4 煅燒時間對前驅(qū)體碳酸鎂質(zhì)量損失率的影響

2.2.3 反應(yīng)物物質(zhì)的量比對產(chǎn)品粒徑的影響

PEG-200的加入量為1.0 mL、反應(yīng)溫度為50℃、反應(yīng)時間為1 h、煅燒溫度為550℃、煅燒時間為2.5 h，探究碳酸根與鎂離子的物質(zhì)的量比對產(chǎn)品粒徑的影響，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，產(chǎn)物粒徑隨著碳酸根與鎂離子物質(zhì)的量比的增加先減小后增大，n（碳酸根）∶n（鎂離子）為 2∶1 時產(chǎn)物粒徑最小。實驗過程中，筆者主要改變的是碳酸銨的濃度，它的濃度對前驅(qū)體粒徑有較明顯的影響。碳酸根濃度太低時，晶體的成核速度較慢，有足夠的時間使晶粒長大；碳酸根濃度太高時，均相成核作用明顯，沉淀顆粒容易發(fā)生團聚，導(dǎo)致產(chǎn)物粒徑變大［6］。故而，實驗時選擇碳酸根與鎂離子的物質(zhì)的量比為 2∶1。

表1 反應(yīng)物物質(zhì)的量比對產(chǎn)品粒徑的影響

2.2.4 表面活性劑對產(chǎn)品粒徑的影響

在納米顆粒的制備過程中，添加表面活性劑可以有效地解決在制備和干燥過程中粒子的團聚問題。這是因為，表面活性劑可以吸附在前驅(qū)體顆粒的表面，形成空間位阻層，減少粒子間的直接接觸，使顆粒之間不易發(fā)生團聚，從而達到分散沉淀顆粒的目的［7］。表面活性劑用量對產(chǎn)物粒徑的影響如圖5所示。從圖5可以看出，氧化鎂粒徑隨著表面活性劑PEG-200用量的增加而減小，當PEG-200的用量大于0.3%（體積分數(shù)，下同）后，粒徑大小基本不變。故而PEG-200的最佳用量為0.3%。

圖5 表面活性劑用量對氧化鎂粒徑的影響

2.3 產(chǎn)品的表征

對最佳條件下制備的納米氧化鎂進行XRD和SEM分析表征。圖6為X射線衍射分析。從圖6可以看出，產(chǎn)品的衍射峰強度大，半峰寬小，無雜質(zhì)峰，表明制備的納米氧化鎂純度高、晶型完整［4］。圖7為納米氧化鎂的SEM照片。從圖7可以看出，納米氧化鎂是啞鈴狀，平均粒徑在50 nm左右。

圖6 納米氧化鎂XRD譜圖

圖7 納米氧化鎂SEM圖

3 結(jié)論

采用直接沉淀法，添加表面活性劑，制備了啞鈴狀的納米氧化鎂。分別探究了反應(yīng)溫度、煅燒時間、反應(yīng)物物質(zhì)的量比、表面活性劑用量等因素對氧化鎂粒徑的影響，從而得到制備純度高、分散性好、粒徑小的納米氧化鎂的簡單新工藝。實驗表明，反應(yīng)溫度為50℃、碳酸根與鎂離子的物質(zhì)的量比為2∶1、PEG-200的用量為0.3%、550℃煅燒2.5 h為最佳反應(yīng)條件。

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［4］武艷妮，左白燕，李領(lǐng)，等.工業(yè)草酸與氫氧化鎂制備納米氧化鎂的研究［J］.無機鹽工業(yè)，2011，43（7）：29-31.

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