纳米氧化锌的制备及应用

Sum86No15Chemical　Engineer2001年10月

科研与开发

文章编号:1002-1124(2001)05-0026-03　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

纳米氧化锌的制备及应用

詹国平　黄可龙　刘素琴

(中南大学化学化工学院　　长沙　410083)

　　摘　要:纳米氧化锌是一种性能优异的新型功能材料,应用前景广阔。本文综述了纳米氧化锌的制备及近年来新的应用领域和研究前沿。　　关键词:纳米氧化锌;制备;应用

　　中图分类号:TQ13214+1　　文献标识码:A

PreparationandApplicationofNanometerZincOxide

ZhanGuopingHuangKelongLiuSuqin

(CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,CentralSouthUniversity　　Changsha　410083)

Abstract:Asanewhighfunctionalmaterials,nanometerzincoxidewithspecificpropertiesisreviewedonthepreparationandrecentnewapplicationinthispaper.

Keywords:Nanometerzincoxide;Preparation;Application1　前言

二十世纪80年代以来,各国科研人员对颗粒粒

径介于1～100nm的微小固体粒子的研究日趋重视。纳米粉体因尺寸的微细化,比表面积大,从而产生了其块状物料所不具备的体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应,具有一系列优异的物理、化学性能,应用开发前景广阔。纳米氧化锌因具有优异的电、磁、光、力学和化学等宏观特性,在精细陶瓷、紫外线屏蔽、压电材料、光电材料、高效催化材料、磁性材料等方面有广泛应用,颇受科研人员青睐,现成为纳米无机粉体中研究的热点。本文结合作者的研究,就近年来纳米氧化锌粉体的制备及最新应用领域与研究前沿予以综述。

度;(5)工业应用潜力。

211　化学沉淀法

化学沉淀法是通过在原料溶液中添加适当的沉淀剂,让原料溶液中的阳离子形成相应的沉淀物(沉淀颗粒的大小和形状由反应条件来控制),然后再经过滤、洗涤、干燥、热分解等工艺过程而获得纳米粉体的方法。它是制备纳米粉体的主要方法,依其沉淀方式可分为:直接沉淀法[1～2]和均匀沉淀法[3～4]两种。选择的沉淀剂不同,反应机理不同,得到的沉淀物不同。直接沉淀法常用的沉淀剂有:氨水(NH3・H2O)、碳酸铵[(NH4)2CO3]、草酸铵[(NH4)2C2O4]、碳酸氢铵(NH4HCO3)、碳酸钠(Na2CO3)等;均匀沉淀法常用的沉淀剂有尿素[CO(NH2)2]和六亚甲基四胺[(CH2)6N4]。

此法产物纯度较高,工艺简单,对设备、技术要求不太高,化学计量性较好,生产成本较低,易于工业放大生产。但分散性较差,有团聚,且洗除阴离子较繁杂。

2　纳米氧化锌的制备

　　制备超微粉的途径主要有两类:物理法和化学

法,其中,化学法是常用手段,具有成本低,设备简单,易放大进行工业化生产等特点。目前,化学制备纳米氧化锌的技术较多,评价其优劣的标准主要有:(1)粒子纯度及表面的清洁度;(2)粒径及粒度分布;(3)粒子的几何形状及晶相稳定性;(4)粉体团聚程

收稿日期:2001-07-20

作者简介:詹国平,男,31岁,工学硕士,讲师,现主要从事无机功能

材料的研制和应用开发工作,已发表论文十余篇。

212　溶胶-凝胶法(Sol-Gel法)

溶胶-凝胶法是以无机盐或金属醇盐为前驱物,经水解缩聚过程逐渐凝胶化,然后作相应的后处理而得到所需的纳米粉体,它是制备纳米材料湿化学方法中较为重要的一种。溶液pH值、溶液浓度、反应时间和温度是影响溶胶、凝胶质量的主要因素。Hohen等[5]及EricA.M[6]利用此法成功制备了纳米ZnO粉体。

2001年第5期　　　　　　　　　　　　　　　　　詹国平等:纳米氧化锌的制备及应用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　27

该法可在低温条件下制备纯度高、分散性好、粒径分布均匀、化学活性好的纳米ZnO,副反应少,工艺操作简单,易于控制,且不需贵重设备,有工业化生产潜力。但原料成本高,在高温下作热处理时有团聚。

213　微乳液法[7～8]

近年来,用W/O型微乳液制备超细粉体得以流行。它是由水、油(有机溶剂)、表面活性剂及其助剂组成的透明或半透明的,各相同性的热力学稳定体系,其中水被表面活性剂及其助剂单层包裹形成“微水池”,被用作为反应介质,称其为“微型反应器”,通过控制“微水池”的尺寸来控制粉体的大小,制备纳米物质。制备的技术关键是制备微观尺寸均匀、可控、稳定的微乳液。此法有装置简单,操作容易,粒子均匀可控等诸多优点,已引起众多研究人士的兴趣。

但此法成本费用较高,仍有团聚问题,进入工业化生产,目前有一定难度。低,花费成本高,难以工业化生产。中科院固体物理研究所朱勇等[12]利用激光束,在不同的激光能量密度下,直接加热Zn靶制备出了ZnO纳米粉,且产物形状结构不同:可为链状,可为弥散状,也可为晶须结构,粒径在10～40nm。

此外,纳米ZnO的制备方法还有物理粉碎法、固相反应法、化学气相氧化法、喷雾热解法、醇盐水解法、溅射法、电解法等离子气相合成法等等。

3　纳米氧化锌新的应用

311　精细陶瓷品工业

利用纳米ZnO的体积效应、表面效应和高分散能力,在低温低压下,就可将纳米ZnO作陶瓷制品的原料直接使用,生产出外观光亮、质地致密、性能优异的陶瓷制品,并可使烧结温度降低400～600℃,简化生产工序,降低能耗;同时,掺于陶瓷制品中的纳米ZnO又具有抗菌除臭、分解有机物的作用,能极大地提高产品质量,故纳米ZnO可用于制高档卫生陶瓷洁具,如:盥洗瓷具、瓷砖、桌石等。

214　水热合成法水热合成法是在密闭体系中,以水为溶剂,在一定温度和水的自生压强下,原始混合物进行反应的

一种合成方法。由于反应在高温、高压、水热条件下,水处于临界状态,反应物质在水中的物性与化学反应性能发生了很大变化,而不同于一般制备方法,成为一种制备超细粉体的湿化学方法,受到研究人员重视。上海硅酸盐研究所李汶军等[9]对水热法制ZnO粉体进行了研究,提出了前驱物分置水热法制

312　紫外线屏蔽剂

纳米ZnO在阳光,尤其是紫外光照射下,能自行分解出自由移动的带负电的电子,同时留下带正电的空穴,这种空穴可激活空气中氧变成活性氧,具有极强的化学活性,能与多种有机物发生氧化反应,杀死一些病毒和病菌;同时,纳米ZnO本身为白色,无毒、无味、对皮肤无刺激性,不分解,热稳定性好。因此,在纤维纺织品、服饰等中掺入纳米级ZnO,既有屏蔽紫外线的功能,又具有抗菌、防霉、除臭的奇特功效;在日用化妆品中添加纳米ZnO有很好的护肤美容作用。

备方式,其实质是:将可溶性锌盐和碱液混合形成Zn(OH)2的“沉淀反应”与Zn(OH)2脱水生成ZnO的“脱水反应”融合在同一反应器内完成,从而得到结晶完好的ZnO晶粒。山东大学DairongChen等

[10]

313　光催化剂和光电材料

纳米ZnO比表面积大,表面活性中心多,为做

催化剂提供了必要的条件;同时,它的表面效应和体积效应决定了它有高的催化活性和选择性。如:在一些高分子聚合物的氧化、还原及合成反应中,采用纳米ZnO做催化剂,能加速有机物分解,大大提高反应速率,且效果较好。有关研究表明:添加纳米ZnO的反应速度是普通ZnO的100～1000倍。另外,纳米ZnO几乎不引起光的散射,且具有大的比表面积和宽的能带,因而被认为是极具应用前景的高活性光催化剂之一。

纳米ZnO具有特殊的光学性质和光电化学性质,用它作图像记录材料可以提高信噪比,改善图像

(下转第57页)

,将水热法与模板技术相结合,也获得了不同

形态、不同尺寸的ZnO粉体。

此法能直接制得结晶完好,原始粒度小、分布均匀,团聚少的纳米ZnO粉体,制备工艺相对简单,无需煅烧处理。但是高温高压下的合成设备较贵,投资较大。

215　激光诱导化学法[11,12]

激光诱导化学法是利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收而产生热解或化学反应,经成核生长形成纳米粉体;或运用高能激光束直接照射金属片表面加热气化,蒸发,氧化获得氧化物纳米粉体。该法制备的超细粒子具有颗粒小、粒度分布窄、分散性好、纯度高、不团聚等特点,但能耗大,粉体回收率

2001年第5期　　　　　　　　　　　　　　　　李嘉斌等:氨肥厂合成塔温度的串级调节　　　　　　　　　　　　　　　　　　57

与经济性。

在合成塔的温度串级调节中,主要干扰为氢氮比的变化。由于敏点温度对氢氮比的变化特别敏感,主副参数的时间常数相差很远,不会引起震荡,

而且在工艺的实现上是允许的,所以选择敏点温度作为副参数在理论上是可行的,而且从工厂的运行来看,整个串级系统的调节品质很好。

(上接第27页)

　　的质量,增强视觉效果;如果把它沉积在硅的表面,可制成高密度信息存储材料及高效电子产品;它也可作为压电材料,高效赋予材料导电性。

求行之有效的制备方法;(3)加快工业化生产器件、设备的设计和应用开发研究,以优化工业生产,实现产业的再次革命。

参　考　文　献

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314　传感器材料和吸波材料

纳米ZnO具有高比表面积、高活性、特殊物理

性质和极微小性,对外界环境(如温度、光、湿气等)十分敏感,外界环境的微小改变会迅速引起其表面或表面离子价态和电子运动的变化,立即引起其电阻的显著变化,现成为非常有发展前途的传感器方面的材料。目前,已用其制成了气体报警器和湿度计等。

纳米ZnO不仅对电磁波具有吸收能力,还能吸收可见光和红外线,军事上用它作隐身材料,不但能在很宽的频带范围内逃避雷达的侦察,而且能起到红外隐身作用,在国防上有重要意义。同时,纳米ZnO因具有质量轻、颜色浅、吸波能力强等特点,现已成为吸波材料的研究热点之一。

4　结束语

纳米氧化锌是一种性能优异的新型功能材料,应用开发前景十分广阔。其制备方法多种多样,可依据具体条件,不同用途和经济技术的要求合适选用。目前,因制备工艺涉及物理、化学、化工、材料表面、胶体等众多学科,与应用相比,仍显缓慢。今后开展工作的重点是:(1)深入其形成机制和微观结构,切实搞好基础理论研究;(2)加强多学科合作,寻