介绍一个材料化学专业实验—PtCo纳米管的制备

2020-07-20罗保民

山东化工 2020年12期

罗保民

(南阳师范学院化学与制药工程学院，河南南阳 473061)

材料化学专业旨在培养掌握化学和材料科学方面的基本理论、基本知识和基本实验技能的专业人才。实验教学环节是材料化学专业人才培养的一个重要环节，主要培养学生的基本实验技能和利用理论知识分析实验现象的能力。随着时代的发展，各种具有新奇特性的材料不断被发现，新的制备技术也不断涌现，这就要求我们不断更新材料化学专业的实验课教学内容，以使学生了解最新的科研动态、实验方法和技术，跟上时代发展的步伐。

一维贵金属纳米材料由于其优异的催化性能使其在燃料电池领域得到了广泛的关注[1-5]。一维贵金属催化剂的制备方法主要由电沉积法和置换反应法[1-5]，其中置换反应法由于其简单高效的特点近些年来得到了广泛的应用。本文结合作者本人的科研工作[1]以及所承担的理论课《材料科学基础》的教学内容设计了“PtCo纳米管的制备”实验，通过让学生分析纳米管的形成机理使学生加深了对“固相反应”和“扩散”两章相关内容的理解和掌握，锻炼了学生应用理论知识分析实验现象的能力。

1 实验目的

(1)掌握利用置换反应制备PtCo纳米管的原理和方法；

(2)学会利用“固相反应”和“扩散”两个章节的相关知识解释纳米管的形成机理；

(3)掌握冷冻干燥机的使用方法。

2 实验原理

鉴于Co纳米粒子在水溶液中会与氧气反应，该反应全程需要氮气保护，实验装置如图2所示。三口烧杯一个口作为进气口，一个作为加料口，一个作为出气口。出气口由一个直角导气管加一段乳胶管组成，乳胶管末端放入盛有水的烧杯中，这样可以使反应体系保持微正压，防止反应过程中空气的进入。

所制备的纳米管的典型形貌如图3的透射电子显微镜(TEM)所示(图中标尺为50 nm)，可以看到样品中间颜色浅，边缘颜色深，表明了其为管状结构。

图1 PtCo纳米管的制备原理图

图2 实验装置图

图3 PtCo纳米管的透射显微镜照片

3 实验试剂和仪器

3.1 试剂

氯化钴、柠檬酸钠、硼氢化钠、氯铂酸。

3.2 仪器

烧杯、移液管、圆底烧瓶、空心玻璃塞、直形导气管、直角导气管、梭形磁子、磁力搅拌器、电子天平、自制氮气保护装置、砂芯抽滤装置、循环水式真空泵、冷冻干燥机。

4 实验步骤

将装有梭形磁子的500 mL圆底烧瓶固定于磁力搅拌器上，并开启搅拌器。依次加入200 mL蒸馏水、71 mg柠檬酸钠、20 mL氯化钴溶液(浓度为12×10-3mol/L)。依次打开氮气减压阀、稳压阀、球阀，通过调节各阀门的开度调节进入反应体系的气流速度。通过直形导气管向溶液中通入氮气以排除溶液中的氧气。通氮气15min后，加入新鲜的NaBH4溶液(18.2 mg NaBH4+10 mL蒸馏水)，反应30 min。反应方程式为：

4CoCl2+NaBH4+H2O → 4Co+B(OH)3+NaCl+7HCl。

加入0.0193 mol/L氯铂酸溶液7 mL，反应时间为30min。通过抽滤的方式获得产品，采用砂芯抽滤装置和水系滤膜抽滤，获得的滤饼要用大量蒸馏水洗涤。干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥机的原理和使用参看我们之前发表的文章[6]。

5 思考题及参考答案

(1)分析纳米管的形成机理。

答：当氯铂酸加入Co纳米线中后，立即在Co纳米线表面生成一层Pt壳，此Pt壳的生成阻碍了Co原子和氯铂酸的接触，使其不能反应。内部的Co通过扩散穿过Pt壳层到达表面，然后与氯铂酸继续反应，这个过程如图4所示。由于Co不断扩散出来，最后形成空心的结构。扩散的机理可能为空位扩散机理和环形换位机理。由于Co相对于氯铂酸过量，会有一定量的Co剩余，剩余的Co与Pt形成合金。