气 候 与 环 境 研 究
Climatic and Environmental Research
第 17 卷 第 6 期 2012 年 11 月
V ol. 17, No. 6
Nov. 2012
张景红, 金德镇, 江中浩, 等. 2012. 纳米碘化银在人工影响天气的应用研究 III: 表征实验研究 [J]. 气候与环境研究，17 (6): 678–682，doi:10.3878/j. issn.1006-9585.2012.06.04. Zhang Jinghong, Jin Dezhen, Jiang Zhonghao, et al. 2012. Application of nano-AgI catalyst in weather modi f ication. III ： Experimental characterization [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese)，17 (6)：678–682.
纳米碘化银在人工影响天气的应用研究
III: 表征实验研究
张景红1 金德镇
1 江中浩
2
许乐
1
赵泽会
3
1 吉林省人工影响天气办公室，长春 130062
2 吉林大学，长春 130025
3 吉林省民航机场集团公司航务管理部，长春 130039
摘 要 针对新型纳米碘化银催化剂在人工影响天气中有较大的应用前景，采用粉末化学液相沉淀法在常温常压
条件下制备了与冰晶具有相近结构的纳米碘化银（AgI ）粉末，采用场发射透射电子显微镜和 X 射线衍射谱等对 碘化银粒子的结构特性、尺寸分布和比表面积等进行了与成冰性能相关的实验表征。与目前用的常规碘化银进行 了表征特征对比表明，该纳米碘化银粒子的晶格常数更接近于冰，尺寸在 30～90 nm 之间，具有较高的吸附能力 和比表面积。
关键词 人工影响天气 纳米粉体 碘化银 液相沉淀法 文章编号 1006–9585（2012）06–0678–05 doi:10.3878/j.issn.1006-9585.2012.06.04
中图分类号 P481
文献标识码 A
Application of Nano-AgI Catalyst In Weather Modification
III: Experimental Characterization
ZHANG Jinghong 1, JIN Dezhen 1, JIANG Zhonghao 2, XU Le 1, and ZHAO Zehui 3
1 Jilin Weather Modification office,Changchun 13006
2 2 Jilin University , Changchun 130025
3 Jilin Civil Airports Group Company Air Traffic Management Department, Changchun 130039
Abstract The application of new nano-silver iodide (AgI) catalyst to weather modification was studied. Nano-silver iodide powder with closed ice crystal structure was prepared by using a powder precipitation method at normal temperature and pressure. The size distribution and structural property of the nano-silver iodide were characterized by us- ing field emission transmission electron microscopy and X-ray diffraction spectrum. These characterization results showed that the lattice constant of the nano-silver iodide is closer to the ice than the conventional AgI, the nano-silver iodide has a grain size range of 30–90 nm, higher adsorption capacity and larger specific surface area than the conven- tional silver iodide.
Keywords Weather modification, AgI, Nano-powder, Precipitation method
引言
1 用于人工影响天气领域。V onnegut (1948)、 Fukuta and Paik (1973)、Shen et al. (1977) 研究表明，碘 化银作为人工冰核的主要原因是由于其与冰(H 2O)
碘化银（AgI ）作为最佳的成冰物质已广泛应
收稿日期 资助项目 作者简介 2012–08–29 收到，2012–09–29 收到修定稿
公益性行业（气象）科研专项 GYHY201106031
张景红，女，1967 年出生，博士，研究员，主要从事人工影响天气、云雾微物理研究及室内云室实验。E-mail:*******************
的晶格结构具有高度相似性。Turnbull and Vonnegut (1952) 的研究指出，碘化银人工冰核的核化能力取决于它所具有的改变吸附水分子的取向并形成类冰结构的程度。Zettlemoyer et al. (1961) 等仔细研究了吸附在AgI粒子上的水分子，发现AgI主要表现出疏水性，同时伴随有约25％的亲水位，亲水位表示有个别的氧化物补充，它不但提高了水分子的粘度系数，而且更有利于形成冰核。由于碘化银催化剂具有良好的吸附水分子及成冰能力，Reynolds et al. (1951)、Vonnegut and Neubauer (1951)、Smith et al. (1955)及酆大雄等（1995）在提高碘化银成核效率的研究上做了大量工作。近年来金德镇等（2008）研究“37型”降雨实弹爆炸法进行室内云室实验初步表明，纳米碘化银（n-AgI）粒子较目前使用的常规碘化银（m-AgI）粒子具有更好的成冰性能。张景红等（2010）利用液相法制备了具有良好催化效果的人工影响天气纳米碘化银，关于纳米碘化银不同于常规碘化银的性质方面的研究却未见报道。在本文中，实验采用液相沉淀法制备了具有纳米尺寸的碘化银粒子并对其尺寸分布和结构特性进行了讨论和研究。进行干燥，得到β-型的碘化银。
利用JEOL JSM-6700F 扫描电镜、透射电子显微镜（FETEM，JEM-2100F）、X射线衍射仪（XRD，D/MAX ，2500PC ）、X 射线光电子能谱仪（XPS, ESCALAB Mk II）和BET比表面积及孔径测定仪SSA-3600对碘化银粒子的形态、结构比表面积等进行了表征等测试。
3 结果与讨论
3.1 扫描电镜表征结果
利用JEOL JSM-6700F 扫描电镜对纳米碘化银和目前人工影响天气使用的常规碘化银进行表征结果如图1 所示。从图1 中明显看出纳米碘化银形貌上较常规碘化银更接近于球形，常规碘化银呈不规则形状。
3.2 透射电镜实验观察
为了研究碘化银纳米粒子的形貌和大小，利用JEM-2100F透射电镜（TEM ）对纳米碘化银进行TEM实验观察，样品选取的电子衍射照片如图2所示。由图2可见，所制备的碘化银纳米粒子大都呈球形且随机生长。碘化银粒子的粒径在30～90 nm 范围内，粒径分布较为均匀。图2中可以看出纳米粒子由于较高的吸附能力出现了团聚现象。经统计，纳米碘化银晶粒尺寸在30～90 nm之间。
3.3 X 射线衍射分析结果
对纳米碘化银粉末和目前使用的常规碘化银
实验
2
纳米碘化银粒子是由沉淀法制备的。实验将0.1 mol/L 的硝酸银水溶液缓慢滴入0.1 mol/L 的KI 溶液中并在室温下搅拌均匀。经过约1 h 静置，得
到了碘化银沉淀粉体，然后用去离子水反复过滤、水洗，以消除化学反应的残留如硝酸钾。最后，沉淀出碘化银粉末在真空干燥箱内135 ℃温度条件下利用D/MAX 2500PC 进行X 射线衍射分析（XRD），由图3 可以看出，纳米碘化银粉末具有典型的β-AgI 晶体结构；常规碘化银粉末具有α-AgI 和β-AgI 两
图1 （a）纳米和（b）微米碘化银的形貌图片
Fig. 1 Morphologies of the (a) n-AgI and (b) m-AgI powders
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图2 纳米碘化银粉体TEM图片及相应的衍射图片
Fig. 2 TEM image of the n-AgI powders and the corresponding diff rac-
tion pattern in the inset
种结构。一般来说，碘化银可以表现出两种晶体结
构，即六方和立方结构。根据标准的PDF 卡片，六
方结构的β-AgI 的晶格参数更接近于冰(H2O)（具
体的晶格参数列于表1 中）。根据X 射线衍射数据，
纳米碘化银的晶格参数如a 和c 值经计算同样列于
表1 中。显然，与常规碘化银相比纳米碘化银的晶
格常数a 和c 更接近冰(H2O) 相应的晶格常数。这
表明，纳米碘化银与冰晶的错配度更小与冰晶的界
面应力也更低。制备的纳米碘化银降低了冰晶在
AgI 冰核上取向附生生长时的能垒。因此，在纳米
碘化银粉末能够更好地在人工影响天气方面发挥
作用。
表1 XRD 所测标准AgI、冰晶、n-AgI 和m-AgI 粉体及其
晶格常数和衍射峰
Table 1 Lattice constants and diffraction peak position of
the standard AgI (09-0374), H2O (42-1142), the n-AgI and
m-AgI powders from XRD
图3 （a）纳米、（b）常规和（c）标准碘化银粉体的X 射线衍射图谱
Fig. 3 X-ray diff raction patterns of the (a) n-AgI, (b)m-AgI powders,
and (c) standard β-AgI
晶体常数(Å)衍射峰位(°)
材料晶体结构a c(002) (110) (112)
纳米碘化银的Ag3d、I3d 和C1s 均显示出典型的谱
峰。Ag3d 轨道区域显示，两个峰分别位于367.8 eV
和373.9 eV，其中位于367.8 eV 的峰对应于Ag3d 标准AgI
冰(H2O)
n-AgI
m-AgI
六方
六方
六方
六方
4.5922
4.5227
4.5867
4.5937
7.5100
7.3671
7.4859
7.5145
23.707
24.138
23.780
23.859
39.204
39.837
39.269
39.361
46.308
47.117
46.380
46.500
+
5/2 谱峰，并且与碘化银中Ag 对应能量一致；I3d
轨道谱图也显示两个谱峰，一个谱峰位于619.2 eV，
另一个是位于630.6 eV 的峰，它们与碘化银中I-的
能量相对应(Moulder et al., 1995)。Ag+与I–的存在
证明了碘化银的形成。图4c 和4d 分别给出纳米
AgI 与常规AgI 的C1s 轨道XPS 图谱，其中，结合3.4 X 射线光电子能谱XPS 分析
利用ESCALAB Mk II 给出了纳米碘化银与常规
碘化银进行X 射线光电子能谱XPS 分析（见图4）。
图4a 和4b 共同标定了AgI 的存在，可以看出，
图4 纳米碘化银（a）Ag3d、（b）I3d、（c）C1s轨道与（d）常规碘化银C1s轨道的X射线光电子能谱分析Fig. 4 XRD photoelectron spectroscopes of the n-AgI (a) Ag3d, (b) I3d, (c) C1s, and m-AgI (d) C1s powders
能峰位表示C 为吸附态，是用来对比两种不同尺度AgI 的吸附能力。图中的点是实际测量的计数点，因为峰比较宽，所以进行了多峰的拟合，实线为曲线拟合的结果。图4c 可被拟合为3 个谱峰，峰位于284.6 eV、285.1 eV 和288.5 eV，分别代表碳氢化合物（C-C 和C-H）(Hamwi et al., 1996) 和C=O 键(Moulder et al., 1995)，后面两个峰则为K2p 的谱峰。这些C 源自纳米碘化银颗粒表面吸附的物质。为了比较纳米碘化银和常规碘化银的吸附能力，图4d 给出了常规碘化银C1s 轨道XPS 谱图，从图中可以看出常规碘化银仅有一个对应于碳氢化合物位于284.6 eV 的峰存在。通过比较两者的区别可以看出，纳米碘化银较常规碘化银具有更高的吸附能力。在人工增雨作业中，这种高吸附能力可以使纳米碘化银颗粒在潮湿大气中吸附更多的水分子，从而提高了冰核形成效率。
3.5 比表面积测定
利用比表面积及孔径测定仪（BET）SSA-3600对纳米碘化银和目前使用常规碘化银进行两者比表面积测定（结果如表2）。从表2 可以看出，质量相同情况下，仅90 nm 的碘化银粒子比1 µm 的AgI 比表面积大近 5 倍，30 nm 碘化银的比表面积比1 µm 碘化银大约14 倍。大的比表面积意味着吸附能力更强，因此，在同样条件下，纳米碘化银较常规碘化银有更高的成核能力。
表2 纳米碘化银与微米碘化银进行比表面积测定结果Table 2
powders
The specific surface area of the n-AgI and m-AgI
比表面积(m2/g)
材料
n-AgI (90 nm)
n-AgI (30 nm)
m-AgI (1 µm)
9.52
24.32
1.68
tickle4结论
利用液相沉淀法在常温和常压下制备了纳米碘化银颗粒，系列实验表征结果表明：
（1）用于人工影响天气云室实验的纳米碘化银粉体较常规碘化银粉体，在形貌上更近球形，平均晶粒尺寸在30～90 nm 之间；
（2）纳米碘化银粉体为β-AgI 结构；较AgI 标准卡片略有偏差，较常规碘化银更接近于水的晶格
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常数；
（3）纳米碘化银较常规碘化银较常规碘化银有更大的比表面积，更高的吸附能力和表面化学活性。Moulder J F, Stickle W F, Sobol P E, et al. 1995. Handbook of X-ray Pho- toelectron Spectroscopy [M]. Physical Electronics. MN: Inc. Eden Prairie, 1015–1020.
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