实验二 水热法制备纳米氧化铁材料
一、实验目的
（1）了解水热法制备纳米材料的原理与方法。
（2）加深对水解反应影响因素的认识。
（3）熟悉分光光度计、离心机、酸度计的使用方法。
二、实验原理
水解反应是中和反应的逆反应，是吸热反应。升高温度可以使水解反应的速率加快，反应程度增加。浓度增大对反应程度无影响，但可使反应速率加快。对金属离子的强酸盐来说，pH值增大，水解程度与速率均增大。在科学研究中，经常利用水解反应来进行物质的分离、提纯和鉴定。许多高纯度的金属氧化物，如Bi2O3、Al2O3、Fe2O3等，都是通过水解反应形成沉淀来提纯的。
纳米材料是指晶粒和晶界等显微结构能达到纳米尺寸水平的材料，是材料科学的一个重要发展方向。纳米材料由于粒径很小，比表面积很大，表面原子数会超过体相内原子数。因此，纳米材料常表现出与本体材料不同的性质，在保持原有物质化学性质的基础上，纳米材料呈现出热力学不稳定性。例如，纳米材料可显著降低陶瓷烧结及反应的温度，明显提高催化剂的催化活性、气敏材料的气敏活性和磁记录材料的信息存储量。纳米材料在发光材料、生物材料方面也有重要的应用。制备氧化物纳米材料的方法很多，包括化学沉淀法、热分解法、固相反应法、溶胶凝胶法、气相沉积法、水热法等。其中，水热法是较新的制备方法，它通过控制温度和pH值等条件，使一定浓度的金属盐发生水解反应，生成氢氧化物或氧化物沉淀。若条件控制适当，可得到颗粒均匀的多晶态溶胶，其颗粒尺寸为纳米级，能明显改善气敏材料的灵敏度和稳定性。
为了得到稳定的多晶态溶胶，可通过降低金属离子的浓度，或利用配位剂络合法控制金属离子的浓度，如加入EDTA溶液，一方面，可适当增大金属离子的浓度，得到更多沉淀。另一方面，对产物的晶型也有影响。发生水解后，若生成沉淀，则说明成核不同步，其原因可能是玻璃仪器未清洗干净，水解浓度过大，或水解时间太长。所制备的沉淀颗粒尺寸不均匀，粒径也比较大。
FeCl3在水解过程中，由于Fe3+转化为Fe2O3，溶液的颜色发生变化。随着水解时间的增加，Fe3+浓度逐渐降低，Fe2O3粒径也逐渐增大，溶液颜色也趋于稳定。其颜色变化可用分光光度计进行动态跟踪。
本实验以FeCl3为例，研究FeCl3的浓度、水解温度、水解时间和pH值等对水解反应的影响。
三、仪器与试剂
仪器：台式烘箱、721或722型分光光度计、激光粒度测定仪、X射线粉末衍射仪、医用高速离心机或800型离心沉淀器、酸度计、多用滴管、具塞锥形瓶（20mL）、容量瓶（50mL）、离心试管、移液管（5mL）。
试剂：1.0mol·L-1 FeCl3溶液、1.0mol·L-1盐酸、1.0mol·L-1 EDTA溶液、1.0mol·L-1 （NH4）2SO4溶液。实验过程中所用的水均为蒸馏水。
四、实验步骤
1.玻璃仪器的清洗
实验中所有的玻璃器皿均需严格清洗，先用铬酸洗液洗，再用去离子水冲洗干净，然后烘干备用。
2.水解温度的选择
根据文献及实验时间，本实验选定水解温度为105℃，有兴趣的同学可选95℃、80℃进行对照。
3.水解时间的影响
按1.8×10-2mol·L-1 FeCl3溶液、8.0×10-4mol·L-1 EDTA溶液的要求配制20mL水解液，通过多用滴管滴加1mol·L-1 HCl，用酸度计监测调节溶液的pH值至1.3。然后将混合液置于20mL具塞锥形瓶中，并放入105℃的台式烘箱内，观察水解前后溶液吸光度的变化。每隔30min取样2mL，在波长λ=550nm处，观察水解液吸光度的变化，直到吸光度（A）基本不变，观察到橘红色溶胶为止。绘制A-t图，约需读数6次。
4.水解液pH值的影响
分别改变上述水解液的pH值为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0；用分光光度计观察水解液pH值的影响，绘制pH-t图。
5.水解液中Fe3+浓度的影响
改变步骤3中水解液的Fe3+浓度，使之分别为2.5×10-2mol·L-1、5×10-3mol·L-1、1.0×10-2mol·L-1，用分光光度计观察水解液中Fe3+浓度对水解的影响，绘制A-t图。
6.沉淀的分离
取上述水解液1份，迅速用冷水冷却，分为2份，一份用高速离心机离心分离，另一份先加入（NH4）2SO4溶液，使溶胶沉淀，然后用普通离心机分离。所得沉淀用去离子水洗至无Cl-为止。比较两种分离方法的效率。
7.产品表征
（1）用激光粒度测定仪测定所得氧化铁的粒度。
（2）利用透射（或扫描）电子显微镜和X射线粉末衍射仪对所得氧化铁进行形貌、尺寸及物相分析。
五、问题与思考
（1）影响水解的因素有哪些？如何影响？
（2）水解器皿在使用前为什么要清洗干净？若清洗不干净会有什么后果？
（3）如何精密控制水解液的pH值？为什么可用分光光度计监控水解程度？
（4）氧化铁溶胶的分离有哪些方法？哪种效果较好？