钼酸铁／氧化钼异质纳米结构合成制备综合实验设计

朱春玲，刘岩峰

（哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

钼酸铁具有良好的催化特性，可以催化丙烯生产环氧丙烷［1］，另外，还可以用来制作气敏传感器检测乙醇和硫化氢等［2］。钼酸铁在工业上一般采用共沉淀方法制备，制备条件对其催化等性能的影响较大［3－4］。纳米材料具有较大的比表面积，因此有利于提高其物理化学性能，但是，纳米材料一般团聚现象较为明显，会显著影响其性能的稳定性。如果将纳米材料生长在其他一维纳米材料的表面，形成纳米异质结构，可以有效地抑制其团聚现象的产生［5－8］。通过设计实验，寻找具有特定物理化学特性的一维纳米材料作为支撑材料，发挥它们的共性，即协同效应，可以进一步提高纳米催化剂的催化特性。本文将纳米钼酸铁生长在一维氧化钼纳米棒的表面，可以显著提高它们的催化特性［2］。

为了提高学生的实验技能，培养学生进行综合实验的能力，为今后的科研实践打下坚实基础，设计了本综合实验，实验既包括化学合成方法，如水热法和溶剂热法等，也包括材料的形貌结构的表征手段，如晶格结构的测试和形貌尺寸的表征等，因此，有助于提高学生的综合实验能力，可以使学生学会统筹安排实验。

1 实验

1.1 主要试剂与仪器

钼酸铵，硝酸铁，硝酸，双氧水，水浴装置，机械搅拌器，离心机，X射线粉末衍射仪，扫描电子显微镜。

1.2 实验方法

实验中所使用的一维氧化钼纳米棒采用水热方法制备，参见参考文献［9—11］。具体实验步骤为：将钼酸铵在空气气氛下，500℃退火4h，得到氧化钼粉末。称量7.5g氧化钼粉末，加入50mL双氧水，27mL浓硝酸，170mL蒸馏水，搅拌6h以上至形成透明黄色溶液，静止4d以上。取35mL上述溶液，置于高压釜内胆内，密封高压釜，170℃反应24h。待高压釜冷却到室温后，将内胆中的衬底用水清洗数次，干燥得到一维氧化钼纳米棒。

取0.075g克氧化钼纳米棒，将其分散到100mL水中，加入0.3g硝酸铁，在机械搅拌下，水浴50℃反应2h，然后离心分离沉淀。将所得到的沉淀，在空气气氛下，500℃退火4h，得到钼酸铁／氧化钼一维异质纳米结构。

2 结果与分析

2.1 XRD和SEM测试结果

图1为所获得的钼酸铁／氧化钼一维异质纳米结构的X射线衍射图谱。通过对比标准数据库（卡片号JCPDS 83－1701），图中用 “＊”标出的衍射峰均来自单斜钼酸铁晶体，而没有标出的衍射峰均来自斜方晶系的氧化钼（卡片号JCPDS 35－0609）。因此，从X射线衍射分析结果可以看出，利用本方法可以获得晶态的钼酸铁／氧化钼一维异质纳米结构。

图1 钼酸铁／氧化钼复合纳米结构的XRD测试结果

利用扫描电镜对钼酸铁／氧化钼一维异质纳米结构进行微观结构分析，如图2所示。从图中可以看出，钼酸铁纳米颗粒均匀生长在氧化钼纳米棒表面，其平均直径约80nm。同时，一维氧化钼的形貌保持的较好。

图2 钼酸铁／氧化钼复合纳米结构的扫描电镜图

2.2 硝酸铁加入量的影响

首先研究了硝酸铁加入量对产物的影响。将硝酸铁的量进行调整，加入量分别为0.1g和0.6g，获得的产物利用扫描电镜进行微观结构分析。图3（a）为0.1g硝酸铁加入量获得的产物的扫描电镜图。从图中可以看出，钼酸铁纳米颗粒不是很均匀地生长在一维氧化钼纳米棒表面上，且有的颗粒的直径超过了200nm。图3（b）为0.6g硝酸铁加入量获得的产物的扫描电镜图。可以看出，钼酸铁颗粒较均匀，但其生长的密度较大。研究表明，较大的颗粒尺寸和较大生长密度对钼酸铁的催化性能均会产生负面影响［2］。因此，硝酸铁的加入量控制在0.3g获得的产物较好。

图3 不同硝酸铁加入量对钼酸铁纳米颗粒的影响

2.3 反应时间的影响

反应时间是制备产物的重要因素，反应时间如过长降低生产效率。因此，在实验过程中，改变反应时间来寻找合适的参量是必要的。图4（a）为反应时间为1h获得的产物的扫描电镜图。从图中可以看出，一维氧化钼纳米棒表面生长的钼酸铁颗粒较少，颗粒尺寸约50nm，见图4（a）中的插图。但是，如果增加反应时间，一维氧化钼纳米棒的形貌会遭到严重破坏，且钼酸铁的颗粒也不均匀，见图4（b）及其插图。因此，可以看出反应时间控制在2h获得的产物较好。

图4 不同反应时间对钼酸铁纳米颗粒的影响

2.4 反应温度的影响

反应温度对化学合成样品的形貌和物理化学特性也具有重要的影响［11－12］，因此，改变反应温度研究产物形貌等的变化。图5（a）为反应温度为40℃获得的产物的扫描电镜图。从图中可以看出，一维氧化钼纳米棒形貌保持的较好。同时，氧化钼纳米棒表面生长的钼酸铁颗粒较均匀，颗粒尺寸小于50nm，见图5（a）中的插图。但是，根据能谱分析结果可知，相对于50℃获得的样品相比，钼酸铁的含量较少（见表1）。如果反应温度增加，钼酸铁的含量会显著增加（见表1），但是，一维氧化钼纳米棒的形貌会遭到严重破坏，导致部分钼酸铁的颗粒脱离氧化钼表面，如图5（b）所示。因此，可以看出反应温度控制在50℃将会获得较佳的异质结构。

图5 不同温度加入量对钼酸铁纳米颗粒的影响

综合上述实验结果（见表1），可以得出制备钼酸铁／氧化钼一维异质纳米结构的最佳实验条件：反应温度50℃，反应时间2h，硝酸铁加入量0.3g。

表1 不同反应时间获得的钼酸铁／氧化物异质结构中铁与钼的原子含量比

3 结论

在本论文中，将科研成果转化为学生可以实际操作的综合性实验，该实验既涉及到材料简单、容易操作的合成方法，又含有多种表征手段，既包含化学知识，又涉及到材料的相关内容。通过本综合实验，可以实现在一种材料上面通过简单的方法包覆上其他的物质，并找到最佳的合成条件，为学生今后做科学研究奠定了基础，也可以提高学生进行化学实验的兴趣。

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