纳米微粒实验报告

蒸汽冷凝法制备纳米微粒实验报告物理学院131120190谢林洲一、实验目的：学习和掌握利用蒸汽冷凝法制备金属纳米微粒的基本原理和实验方法，研究威力尺寸与惰性气体气压之间的关系二、实验原理：首先利用抽气泵（真空泵）对系统进行真空抽吸，并利用惰性气体进行置换。惰性气体为高纯氩气、氦气等。几次置换后，将真空反应室内保护气的气压调节控制至所需的参数范围，通常约为0.1ｋＰａ至10ｋＰａ范围，与所需粒子粒径有关。当原材料被加热至蒸发温度时蒸发成气相。气相的原材料原子与惰性气体的原子（或分子）碰撞，迅速降低能量而骤然冷却。骤冷使得原材料的蒸汽中形成很高的局域过饱和，非常有利于成核。成核与生长过程都是在极短的时间内发生的。首先形成原子簇，然后继续生长成纳米微晶，最终在收集器上收集到纳米粒子。本实验仪用电阻加热，气体冷凝法制备纳米微粒。三、实验步骤：（1）关闭Ｖ1、Ｖ2阀门，对真空室抽气至0.05ｋＰａ附近。（2）利用氩气（或氮气）冲洗真空室。打开阀门Ｖ1使氩气（或氮气）进入真空室，边抽气边进气（氩气或氮气）约５分钟。（3）关闭阀Ｖ1，观察真空度至0.13ｋＰａ附近时关闭Ｓ2，停止抽气。此时真空度应基本稳定在0.13ｋＰａ附近。（4）沿顺时针方向缓慢旋转加热功率旋钮，观察加热电压或电流，同时关注钨丝。随着加热功率的逐渐增大，钨丝逐渐发红进而变亮。当温度达到铜片（或其它材料）的熔点时铜片熔化，并由于表面张力的原因，浸润至钨丝上。测量此时加热电压和加热电流，记录热电偶指示值。（5）继续加大加热功率时可以见到用作收集器的烧杯表面变黑，表明蒸发已经开始。随着蒸发过程的进展，钨丝表面的铜液越来越少，最终全部蒸发掉，此时应立即将加热功率调至最小。（6）打开阀门Ｖ2使空气进入真空室，当压力与大气压最近时，小心移开真空罩，取下作为收集罩的烧杯。用刷子轻轻地将一层黑色粉末刷至烧杯底部再倒入备好的容器，贴上标签。收集到的细粉即是纳米铜粉。（7）在2×0.13ｋＰａ，5×0.13ｋＰａ，10×0.13ｋＰａ处重复上述实验步骤制备，并记录每次蒸发时的加热功率和热电偶电压值，观察每次制备时蒸发情况有何差异。四、实验数据：通过观察产生的颗粒，记录如下表：氮气压力（kPa）电压（V）电流（A）蒸发功率（W）样品颜色现象0.136.232198.4棕红色钨丝发亮，铜融化，铜微粒附着在烧杯表面，形成很薄的铜样品层。样品层中较厚部分呈现出棕红色，较薄部分为浅棕色。过程中几乎看不到烟雾。1.37.634.4261.44黑色钨丝发亮，铜融化，铜微粒附着在烧杯表面，颗粒较细。附着在烧杯上的样品层较厚，整体呈现出黑色。在样品层较薄部分呈现出青黑色和青白色。过程中产生过白烟。3.96.530195深紫红色钨丝发亮，铜融化，有明显黑烟产生，样品在烧杯表面形成一道线，大量颗粒聚集时有明显金属色。过程中产生大量黑烟。查阅资料可知，Cu的蒸汽压温度都随压强增大而增大，即气压越大，加热功率越大。与实验数据并不完全吻合。此将在误差分析中给予分析。五、实验现象及分析实验中观察到：①收集到的纳米铜粉末基本呈现黑色。这是由于纳米微粒的光吸收增强的缘故，当颗粒尺寸减小到纳米级时，有一个宽带吸收光谱，对可见光反射率极低，吸收率极高，因此金属纳米颗粒几乎都呈现黑色；②气压越低，纳米微粒“黑烟”形成越慢，浓度越小。因为惰性气体的压力越低，碰撞几率越小，则成核速率也越小，黑烟形成越慢并且越不明显。而气压越高，加热功率变大，惰性气体的运动速度越大，与铜碰撞的几率越大，所以随着惰性气体压强的增大，铜蒸发过程的黑烟越明显；③烧杯内壁上半部分出现黑色颗粒层，烧杯内壁下半部分和真空室底板上出现紫黑色颗粒层。这是由于生成的颗粒线度不同，受重力影响的程度也不同，故较大的颗粒在生成后直接落在真空底板上，较小的颗粒则更容易运动到烧杯内壁上。；④随着惰性气体压强的增大，铜颗粒的颜色发生细微变化，颜色由浅逐渐变深。这是由于微粒直径增大；⑤随着惰性气体压强的增大，铜颗粒在烧杯内壁上的分布越不均匀，形成带状；⑥随着惰性气体压强的增大，蒸发功率越来越大；⑦实验产生明显的黑烟。这与加热功率有关，随着加热功率的提升，铜蒸发速率加快，产生黑烟并且喷射到烧杯表面形成带状。实验中真空系统采用惰性气体动态平衡，压强越大，惰性气体的流动越快，样品在还未到达烧杯壁的时候就已经成核聚集，生成明显的黑烟，因而铜纳米颗粒在烧杯内壁的附着也越不均匀。⑧第二组实验中产生了白烟。这可能是因为真空罩中惰性气体不纯，导致氧气进入使得铜氧化了得到白色物质。六、误差分析（1）由于实验设备的密封性能一般，因此很难维持较为稳定的气压，所以实验中采用边抽气边充惰性气体的方式使钟罩内的气压达到动态平衡，以维持相对稳定的气压条件。（2）实验中气压测量有很大误差。该实验仪器虽然提供了调零旋钮，但是校正办法却并不科学。不少人把抽气到气压不再降低的时候定为压强为零的值，但很可能仪器本身密封性不是很好，抽气到气压不降低对应的气压值并非为零；或者气压读数本身就不准确，如此气压测量值并不能代表真实气压。（3）作为一个定性实验，该实验主要以现象观察为主。实验者如想定量分析，在记录数据时必然要自己进行观察，在容器壁开始变黑时记录下对应的电流电压。实验者观察本来无法做到非常细致，而实验现象在出现时也是非常剧烈的，很可能一不小心就调节超过了临界值，因而电流电压记录也未必可靠。七、实验思考题1、真空系统为什么应保持清洁？凝结过程中需要凝结核才能发生。若真空系统并不清洁:①会有很多灰粒、粉尘充当凝结核，杂质粒子与材料原子相碰撞使得原材料原子与杂质粒子发生成核生长，从而干扰正常的非均匀成核过程，产生误差，导致产生微粒的半径变大。②如果不够清洁，观察者在观察现象时往往会受到干扰，不能正确地确定现象发生的时刻，得到的结果出现误差。③保持钨丝的清洁还利于导热，有利于金属的蒸发2、为什么对真空系统的密封性有严格要求？如果漏气，会对实验有什么影响？实验对真空真空系统的密封性有严格要求，这是因为如果真空系统有严重的漏气的话:①无法将系统抽至所需的压强。②漏气会导致试验过程中压强不稳定，影响纳米材料的生长，使制备的颗粒大小不一，致使纳米颗粒的质量下降。③在高温之下，本身具有很高活性的铜纳米材料可能和空气中氧气发生反应，从而产生氧化铜等杂质。3、为什么使用的氩气或氮气纯度要求很高？①氩气或氮气纯度不高，则金属蒸气分子与气体分子碰撞时，损失的能量不均一，易造成非均匀成核，使制备的纳米颗粒大小差别较大。②如果氩气或氮气中含有较高成分的其他气体，则还可能导致纳米颗粒的氧化或生成其他的化合物而导致样品不纯。4、为什么要利用纯净氩气或氮气对系统进行置换、清洗？仅用抽气泵很难将系统中的空气抽净，用纯净的氩气或氮气对系统进行置换、清洗，可以提高系统中惰性气体的纯度。5、从成核和生长的机理出发，分析不同保护气气压对微粒尺寸有何影响？金属被加热至蒸发温度时蒸发成气相，金属蒸气原子与惰性气体原子或分子碰撞，迅速降低能量而骤然冷却，骤冷使得金属蒸气中形成很高的局域过饱和，非常利于成核。当核的尺寸超过临界半径后，它将迅速长大，首先形成原子簇，然后继续生长成纳米微粒，最终在收集器上收集到纳米粒子。可见，保护气压越大，金属蒸气原子与保护气体原子碰撞几率越大，能量损失越快，局域过饱和越大，成核越快，形成的纳米颗粒尺寸也越大。6、为什么实验制得的铜微粒呈现黑色？纳米微粒铜的直径小，周期性边界条件被破坏，声光点效应改变，光射在上面时发生衍射光线未被反射回观察者，所以呈黑色。7、实验制得的铜微粒的尺寸与气压之间成何关系？为什么？当气压较低时（约3*0.13kpa以下），成核过程为非均匀成核。过程中，铜蒸汽在真空中扩散并与器壁碰撞冷却，在器壁上成核、生长并沉积。当保护气压较大时，成核过程为均匀成核。过程中，铜被加热至一定温度后蒸发形成铜蒸汽。气相的原子与气体的分子碰撞，能量迅速降低而骤然冷却，使得蒸汽中形成很高的局域过饱和，非常有利于成核。成核与生长过程都是在极短的时间内发生的，一开始自由能随着核生长的半径增大而变大，但是一旦核的尺寸超过临界半径，它将迅速变大。8、实验中在不同气压下蒸发时，加热功率与气压之间成何关系？为什么？气压越大，加热功率越大。因为气压越大，铜的蒸发温度越高，大多数金属的蒸汽压温度都随压强增大而增大。查得Cu的蒸汽压如下表所示：可以看出大多数金属的蒸汽压温度都随压强增大而增大。9、在不同气压下蒸发时，观察到微粒“黑烟”的形成过程有何不同？为什么？气压越低，纳米铜形成越慢，浓度越小。因为惰性气体的压力越低，碰撞几率越小，成核速率也越小，黑烟形成慢且不明显。而气压越高，加热功率变大，惰性气体与铜碰撞的几率越大，产生黑烟较快且较明显。