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ZnAc2 在空气中的热分析动力学研究

发布时间:2021-08-08   点击次数:302次

摘要:用TG / DTA、DSC 和XRD 技术研究了固态物质ZnAc2 · 2H2O 在空气中的热分解过程。结果表明, ZnAc2 · 2H2O 在空气中发生两步分解,其失重率与理论计算失重率相符。XRD 结果表明,ZnAc2 · 2H2O 分解的最终产物为ZnO。用Friedman 法和Flynn-wall-Ozawa ( FwO) 法求得分解过程的活化能E ,并通过 多元线性回归方法给出了可能的机理函数。ZnAc2 · 2H2O在空气中两步分解的活化能分别为 119.82 和 66.82kJ / mol。


前言:超细 ZnO 具有无毒性、非迁移性、荧光性、压电性以及较强的吸收和散射紫外线的能力,被广泛应用于制造气体传感 器、荧光体、紫外线吸收材料、变阻器、图像记录材料和压电材料.ZnO 还可用作压敏电阻、化妆品及医药材料等.最近 又有报道预计.ZnO 可作为下一代的光电材料..ZnO 还可以作为基体,向其中掺人少量具有磁性的元素(如 Mn2+ , Ni2+ , Fe2+等)可形成稀磁半导体 ( DMS ).我们采用流变相反应合成了醋酸盐先qu物,然后热分解得到 ZnO 基稀磁半导体 ( DMS ).因此,对醋酸盐的热分解过程研究有助于在实验过程中控制反应条件得到目标产物.热分析方法在了解先qu物热分解反应的物理化学过程中扮演了一个重要的角色.本文利用等转化率法,在尚未总结出动力学方程的情况下先得到 活化能,再用多元线性回归法对非等温热分析数据进行拟合以确定反应的动力学方程和参数.水合乙酸锌的脱水及分解过程 虽已有报道,但仅涉及脱水动力学方程与参数,而未涉及分解动力学方程与参数,为此,我们还研究了水合乙酸锌的脱水及 分解过程的动力学.


实验 1.1 试剂与仪器: 醋酸锌 ( ZnAc2 · 2H2O , A . R级 ),北京化工厂产;Netzsch STA 449c 综合热分析仪; Netzsch DSC200 差热扫描量热仪;Bruker D8 一Advance X射线衍射仪;Netzsch thermokinetic 软件. 1.2 实验过程: ZnAc2 · 2H2O 的热分析于空气(静态)中在 Netzsch STA 449C 综合热分析仪和 Netzsch DSC200 差热扫描量热仪上进行. ( 7.10 士 0.15 ) mg 样品用于 TG-DTA 测定;5.15mg 样品用于 DSC 测定. 从室温至 600℃ ,升温速率:TG-DTA 为 2 , 5 , 10 和 15 ℃ /min , DSC 为 10 ℃ /min ;按热分析曲线上的数据,在热分析仪上收集不同温度点的分解产物.用 微量 x 射线粉末衍射法在 Bruker D8 -Advance X 射线衍射仪上测定 ZnAc2 · 2H2O 分解产物的 XRD 谱图,样品为热分析过 程中的固体残留物,重约 5 mg。


结果与讨论 2.1 TG / DTG / DTA 分析 由ZnAc2 · 2H2O在空气中的TG 曲线(图 1 )可知,不同升温速率下的TG 曲线均相吻合,说明其失重率基本一 致. ZnAc2 · 2H2O 在空气中升温速率为 10 ℃ /min 时的TG-DTG-DTA 曲线见图 2. 由图 2 可见,DTG 的 2 个峰与TG 曲线上失重的台阶一一对应,也与DTA 曲线的 2 个峰相吻合.TG-DTG-DTA曲线表明样品在 500 ℃ 以下的热分解过程明 显为两步分解.第一个失重台阶出现在 62 ~127 ℃,失重率为 16.57 % (理论值 16.40 % ) ,这是由于ZnAc2 · 2H2O失去结 晶水而变成无水盐所致. 在 127~320 ℃ 出现第二个失重台阶,失重率为 46.85 % (理论值 46.47 % ) ,归结于无水盐的分 解.

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2.2 DSC / DDSC 分析 由ZnAc2 · 2H2O 在空气中升温速率为 10 ℃ /min 的DSC/DDSC曲线 (图 3 )。可见,DSC曲线峰和DTA 的不完全一致, DSC 曲线上多了一个峰,第三个峰可能为ZnO 的升华峰,其在DTA 曲线上不明显.DDSC 曲线说明DSC 曲线上的三个峰 都是单一的、无重叠的峰.由图 3 得到的焓变数据见表 1 .

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2 . 4 动力学研究 2.4.1 求取活化能 E 热分析动力学研究方法一般多采用非等温多扫描速率法.等转化率法是其中之一. 由于该法在求算活化能时无需预先设 定动力学模式函数,所以也称之为非模式函数法.根据等温动力学理论.固体分解反应动力学方程一般可表示为

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结合文献中常见的 16 种动力学模型函数,将变换的实验数据代人相应的方程中,分别进行多元线性回归.其中计算出 的 E 值与 Friedman 法或 FWO 法求出的值接近,且相关系数较好的反应模型即为该反应可能的动力学模型.拟合计算结 果连同用其它方法所得结果亦列于表 4.由表 4 可知,失水反应拟合的最可几动力学模型为 CnB ,即自催化的 n 级反应, 动力学模式函数为 .第二步反应拟合的最可几动力学模型为 R2 ,即二维相界反应,动力学 模式函数为 . ( ) ( )( ) αα catα n f 11 +−= K () ( ) 2/1 f 12 −= αα 由拟合得到的数据与前两种方法计算的动力学参数彼此接近,说明其可信度较大,从而可确定失水反应的动力学参数 E = 1 19.63 kJ / mol, lgA=15.00 ,动力学指数 n = 2.35 .第二步反应的动力学参数 E = 66.82 kJ / mol , 1gA=3.43 。

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