毕业论文(氧化锌纳米材料的研究进展)

学号：2007******
某某师X大学
学士学位论文
题目氧化锌纳米材料的研究进展
学生***（2007******）
指导教师*** 助教
年级2007级
专业物理学
系别物理系
学院物理与电子工程学院
学士学位论文
题目氧化锌纳米材料的研究进展
学生***
指导教师*** 助教
年级2007级
专业物理学
系别物理系
学院物理与电子工程学院
某某师X大学
2011年5月
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氧化锌纳米材料的研究进展
***
摘要：纳米材料已成为当今许多科学工作者研究的热点，而氧化锌纳米材料的许多优异性能使其成为重要的研究对象并得到广泛的应用。

本文概述了纳米ZnO的应用前景及国内外的研究现状，对纳米ZnO各种制备方法的基本原理等进行了详细的分析讨论，同时提出了每种工艺的优缺点，简单介绍了氧化锌纳米材料的性质及其可能的应用领域，提出了研究方向，并对氧化锌纳米材料的发展前景进行了展望。

关键词：纳米氧化锌氧化锌应用研究
纳米ZnO材料显示出以往未曾有过的优异性能，即使在传统应用领域中，也显示出较普通ZnO材料更加优良的性能，其应用前景非常广阔，其技术开发和应用研究已受到高度重视，如何大规模，低成本制备纳米ZnO材料就显得尤为重要，目前研究的方向是进一步深入探讨纳米ZnO的形成机理和微观结构，探求高纯纳米ZnO的制备方法，并使之工业化，随着制备技术的进一步完善和应用研究的进一步深入，纳米氧化锌必将成为21世纪一个大放异彩的明星而展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥其更加举足轻重的作用[1]。

本文系统评述了近年来氧化锌纳米材料制备的一些新方法，介绍了氧化锌纳米材料的性质及其应用领域，并对氧化锌纳米材料的发展前景进行了展望。

一、ZnO的研究现状
纳米技术应用前景十分广阔，经济效益十分巨大，纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域[2]。

目前，国内外关于纳米ZnO的研究报道很多，日本、美国、德国、韩国等都做了很多工作。

国内对纳米ZnO的研究起步较晚，和美、欧以及日本等发达国家相比还有很大差距，关于纳米ZnO的研究报道源于90年代初，但近年来受到国内学者的重视。

“863计划”和“攀登计划”等都把纳米ZnO的课题列入其中，促进了国内纳米ZnO研究的较快发展，积极开展多方向的纳米技术的研究工作，无疑具有重要的理论意义和现实意义[3]。

二、氧化锌纳米材料制备的新方法
对纳米材料的研究首先是侧重于制备方法的研究，随着研究的不断深入，近年来，人们己开发了一系列制备氧化锌纳米材料的新方法，如微波法、静电纺丝法、离子液体法、脉冲激光烧蚀沉积法、频磁控溅射法等。

1.微波法
微波是频率300MHz-300GHz、波长lmm-lm的电磁波。

1986年，Cedye R等在微波炉内进行了醋化、水解等化学反应。

此后，微波技术便逐渐渗透应用于化学的各个领域。

近年来，微波技术大量应用于材料化学和催化化学领域，日益显示其独特优势。

利用微波制备纳
米材料，起步虽晚但进展迅速，国内外己有不少这方面的文献报道[4]。

2.静电纺丝法
静电纺丝是一种制备纳米纤维的技术，该法可十分经济地制得直径为纳米级的连续不断的纤维[5]。

近年来，由于对纳米科技研究的迅速升温，静电纺丝这种可大规模制备纳米尺寸纤维的纺丝技术激起了人们的广泛兴趣。

3.离子液体法
离子液体法是采用离子液体作为反应溶剂来制备纳米材料。

其己表现出许多其他方法不具备的优点。

Wand W W等应用离子液体法(MAIL)在离子液体[BMIM]BF4中通过控制适当的条件，成功合成形状可控的针状和花状的ZnO材料[6]。

合成快速(5~20)min，也不需要品种、表面活性剂和模板剂等。

但这种方法还是一个比较新的方法，尚待进一步完善，如：离子液体制备纳米材料时，离子液体的制备时间较长目易受到杂质的污染；此外，离子液体的获得不如水或常用的有机溶剂方便，这也限制了它的广泛使用。

4.脉冲激光烧蚀沉积法
日本的Okada等脉冲激光烧蚀沉积法成功合成了ZnO的纳米棒。

他们将纯度为99.99%ZnO日标物在KrF激光下消融，然后在载气(O2/He)气氛下保持一定的温度进行反应，最终在A12O3底物上成功获得了尺寸为120nm的ZnO纳米棒[7]。

该法制备纳米粒子无需经过十燥的过程、工艺简单、团聚少，不需其他处理即可获得十燥粉体。

但由于反应温度较高，需要装置具有承受高温或高压的能力，所以设备比较昂贵。

5.频磁控溅射法
Kim等使用Si作为衬底，Zn作为靶材料在一定条件下溅射，首先得到了Zn的纳米线，经过氧化进一步得到了形貌规整、分布均匀的ZnO纳米线。

使用该制备方法获得的ZnO无论是结品质量还是光学性能都很突出。

与日前广泛采用的气液固催化机制制备ZnO低维纳米材料相比，射频磁控溅射法的设备更为简单，还可克服气液固催化生长所固有的杂质污染产物的缺点[8]。

但射频磁控溅射法需在高温下进行，对于设备的要求较高，过程难以控制。

此外，合成氧化锌纳米材料的方法还包括真空蒸汽冷凝法、球磨法、热爆法、微/乳液法、脉冲激光沉积法(PLD)、喷雾热解法等，这儿种方法均可以得到纯度高，粒径和形貌可控的氧化锌纳米材料，但是制备工艺复杂，抑或是设备比较昂贵。

因此，无论是哪一种合成方法都还需要进一步的摸索和完善。

三、纳米ZnO的应用
纳米ZnO作为一种崭新的材料，与普通ZnO材料相比，是一种具有特异性能，用途广泛的多功能超细材料，而其掺杂后的性质又是近年来研究的热点，发展这类新型纳米材料，可以应用到各个领域中去[9]，比如光伏电池、荧光体、气敏元件、橡胶、涂料、塑料、纤维、陶瓷、玻璃、化妆品、催化剂、药物、建筑材料、图像记录材料、军事领域等都有着广阔的应用，下面具体介绍一下它的各种用途。

1.纳米氧化锌用于电池电极
ZnO的直接理想带隙(3.3ev)能传递大多数有效的太阳能辐射，所以被广泛用在太阳能电池上(ZnO/CdS/CuInSe类型)上。

而且由于ZnO膜在氢等离子体上的高度稳定性，可很好的替代In和SiO2在无定性硅太阳能电池的传导电极[10]。

锌镍、锌银及锌嗅等锌基二次电池具有能量密度高，无环境污染及原材料资源丰富等特点，几十年来一直是化学电源研究开发热点之一，王建明等用沉淀法制备出具有较高比表面积和高堆积密度(> 1. 70 g / cm3 )，电化学放电比容量>420 mA /g的氧化锌电池电极样品。

研究发现纳米氧化锌电池电极的电化学放电比容量较普通氧化锌高100 mA/g左右。

2.纳米氧化锌用于荧光体和电容器
纳米ZnO是一种在低压电子射线下唯一能发光的物质，光色为蓝色和红色。

其能隙为3. 2 eV ，对应于387 nm的紫外波长。

当纳米氧化锌粒子受到紫外光照射时，颗粒内产生的光电子和空穴将快速地扩散到颗粒表面，在表面上引起复杂的光化学反应，同时氧化锌颗粒本身也会发生一系列反应，有荧光现象发生[11]。

Henglein将之归于“阴离子空位”的生成，Hoffman认为是由于被捕获的电子向已被捕获的空穴的复合。

陈四海认为是Zn2+作为活性中心在氧化锌颗粒表面的吸附造成了荧光。

利用氧化锌的这一特性可以制备荧光产品。

添加了ZnO ，TiO2，M nO2等的陶瓷微粉经烧结而成的具有高介电常数、表面微细平滑的片状体，可用于制造陶瓷电容器[12]。

3.纳米氧化锌用于气体传感器
传感器是超微粒的最有前途的应用领域之一。

ZnO是发现最早、也是应用最多的金属氧化物半导体气敏材料之一，它是利用纳米ZnO随周围气氛中组成气体的改变，其电学性能—电阻发生变化，对气体进行检测和定量测定，它的工作温度较高，气体灵敏度低但稳定性能较好，便于喷涂与质量控制，易于极化和转向，表现出比较理想的电特性和动态特性。

目前已有利用纳米氧化锌的电阻变化制备的气体报警器和湿度计[13-15]。

纳米氧化锌可作为气敏元件、温敏元件、PIT元件、NTC元件。

压敏电阻，其原理是利用晶界势垒对电压的敏感性。

纳米氧化锌气敏元件的灵敏度高，晶粒细化是其主要原因之一。

4. 纳米氧化锌用于橡胶工业
氧化锌纳米材料具有粒径小、比表面积大、分散性好、疏松多孔和流动性好等特点，因
此它与橡胶的亲和性好，熔炼时易分散，胶料生热低，扯断变形小，弹性好，可以明显改善材料工艺性能和物理性能，所以也被广泛用于制造高速耐磨橡胶制品的原料，如飞机轮胎、高级轿车用的子午线胎等[16]。

具有防止老化、抗摩擦着火、使用寿命长、用量小等优点。

5.纳米氧化锌用于表面涂料
氧化锌纳米材料具有明显的荧光性和吸收紫外的功能，能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线及杀菌防霉作用。

它与其他纳米材料配合，可应用于建筑内外墙乳液涂料及其他涂料中。

此外，氧化锌纳米材料在一定条件下可以发射荧光，能使涂层产生丰富而神秘的“颜色效应[17]”。

氧化锌粉末对太阳光具有很高的反射系数，作为空间飞行器外表面热控涂层色素得到广泛长期应用。

空间环境中没有空气导热，热控涂层的光学性能决定了传热量。

空间飞行器表面的温度控制最有效的手段是依靠表面热控涂层对太阳光吸收和对热发射的比率来被动调节。

飞行器温度控制的稳定性取决于涂层光学性能的稳定性。

纳米氧化锌无机涂层由氧化锌色素、硅酸钾粘结剂组成，是目前研究过的最稳定的涂料型涂层[18-19]。

6. 纳米氧化锌在纺织工业中的应用
随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们越来越追求高档、舒适、具有保健等功能的穿着，近年来不断研制出各种新型的功能纤维。

日本新兴人化成公司、帝人公司、仓螺公司、钟纺公司、东洋纺公司都生产防臭、抗菌、抗紫外线的纤维。

如日本帝人公司生产的采用纳米ZnO和SiO2混合消臭剂的除臭纤维，能吸收臭味净化空气，可用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所用纺织品等[20]。

日本仓螺公司将ZnO微粉掺入异形截面的聚醋纤维或长兹中，开发出世界著名的防紫外线纤维，除具有屏蔽紫外线的功能外，还有抗菌、消毒、除臭的奇异功能。

除用于制造乎术服澎‘士服外，还可制造内衣、外装、鞋、帽、袜、浴巾、帐蓬、日光伞、夏日装、农用工作服、运动服等，不仅在日本市场热销，并远销欧美和中东地区(制阿拉伯长袍等)。

一些日本专利介绍了抗菌和防紫外纤维的制法。

7.纳米氧化锌在陶瓷中的应用
陶瓷材料是材料的三大支柱之一，传统陶瓷材料的应用有较大的限制，随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生。

纳米陶瓷被誉为“万能材料”或“面向21世纪的新材料”所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。

加有纳米ZnO的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用，大大提高了产品质量，经过纳米氧化锌抗菌处理过的产品可制浴缸、地板砖、墙壁、卫生间及桌石[21]。

8.纳米氧化锌在化妆品中的应用
70年代以前晒黑皮肤作为健美的标志，但今日人们认识到过度的日晒是皮肤保健的大敌。

为此，防止遭紫外线伤害的防晒产品发展迅速，越来越受到人们的重视。

大多数有机防晒剂活性较高，对皮肤产生刺激，在紫外光照射后易分解，防晒效果不长久，因而人们又开发了无机防晒剂纳米氧化锌，纳米ZnO在阳光，尤其在紫外线照射下，在水和空气(氧气)中，能自行分解出自由移动的带负电的电了(e-)，同时留下带正电的空穴(e+)。

这种空穴可以激活空气中的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应(包括细菌内的有机物)，从而把大多数病菌和病毒杀死。

西北大学种进行过纳米ZnO的定量杀菌试验，在5min内纳米ZnO的浓度为1%时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98. 86%，大肠杆菌的杀菌率为99. 93%。

所以在化妆品中添加纳米ZnO，既能屏蔽紫外线防晒，又能抗菌除臭，真是一举两得[22-25]。

9. 纳米氧化锌用于催化剂和光催化剂
纳米ZnO由于尺寸小、比表面积大，表面的键态与颗粒内部的不同，表面原子配位不全等，导致表面的活性位置增多，形成了凸凹不平的原子台阶，加大了反应接触面。

因此，氧化锌纳米催化剂的催化活性和选择性都远远大于其传统催化剂，其催化速度是普通氧化锌的100~1000倍[26]。

有人预计，超微粒子催化剂在下一世纪可能成为催化反应的主要角色。

纳米ZnO也是一种很好的光催化剂，在紫外光照射下，它能分解有机物质，抗菌和除臭。

这一光催化性质己被广泛用于纤维、化妆品、陶瓷、环境工程、玻璃和建材等工业中。

，在光的照射下，它儿乎不引起光的散射，具有很大的比表面积和宽的能带，因此被认为是极有前景的光催化材料[27]。

10.利用纳米氧化锌的生物性能
氧化锌纳米材料无毒、无味，不分解、不变质、稳定性好，对皮肤无刺激、有收敛、消炎、防皱和保护等功能，因此氧化锌纳米材料在医药领域常常被添加到药品中辅助治疗，在日用化工及医药领域也有广泛的应用[28]。

11. 纳米氧化锌在建筑材料中的应用
在石膏中掺入纳米ZnO及金属过氧化物粒子后，可制得色彩鲜艳，不易褪色的石膏产品，有着优异的抗菌性能，适用于建筑材料和装饰材料[29-30]。

12. 纳米氧化锌用于图像记录材料
在不同条件下制得不同形貌的纳米氧化锌具有不同的光导电性、半导体性和导电性等性质。

利用这种特性，氧化锌可用作图像记录材料，还可利用其光导性质用于电了摄影，利用半导体性质可作放电击穿记录纸，利用导电性质作电热记录纸等。

其优点是无二废公害，画面质量好，可高速记录，能吸附色素进行彩色复印，酸蚀后有亲水性可用于胶片印刷等[31]。

13.隐身技术—雷达波吸收材料
雷达波吸收材料(简称吸波材料)系指能有效地吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能材料。

氧化锌纳米材料在各种波长X围内均有吸收，应用时可以选择吸收的X围，且由于其质量轻、颜色浅、吸波能力强等优点，而成为吸波材料研究的热点之一[32]。

军事上用它作隐身材料，能在很宽的频带X围内逃避雷达波，并能起到红外隐身的作用，这种“隐身材料”的发展和应用，是提高武器系统生存和突防能力的有效手段[33]。

四、纳米氧化锌应用研究中存在的问题
纳米氧化锌是一种应用广泛的纳米材料，它的优良性能己展现出了诱人的应用前景，从纳米氧化锌粉体、晶须到薄膜的应用研究，广大科研人员倾注了极大的热情，取得了一些进展，然而，从制备研究与工业化规模生产尚有相当大的差距，需要做的工作依然很多[34]。

纳米氧化锌的应用研究同其他纳米材料一样还处于初级阶段，如何寻找纳米氧化锌与传统领域融合的切人点和突破口，是推动纳米氧化锌应用研究的关键。

从已有的应用研究看，由于检测手段和认识的局限，当前纳米氧化锌应用基础理论的研究还不深入，一些应用领域还未开发。

正是基础理论认识存在欠缺和不深入，目前的研究中还存在一些问题，比如纳米氧化锌光催化剂研究中，反应机理的研究缺乏中间体的鉴定。

另外对用于公共设施的杀菌技术，新型的半导体复合催化剂的开发，多元复杂组分有机物体系的考察，纳米氧化锌光催化剂的寿命、中毒、再生、回收，光催化剂氧化反应器工业化设计与开发等研究都需要深入进行[35-37]。

要实现简单、方便、低成本的工业化生产面临的任务有：(1)进一步完善适合工业化的制备方法、反应机理研究与工艺技术等；(2)加强控制工程方面的研究，包括颗粒尺寸、形状、表面及微结构的控制，表面改性与修饰技术等；(3)如何针对不同用途的需要，设计与制备出专用的纳米氧化锌材料；纳米氧化锌的开发、应用己引起社会各界的高度重视，相信这些问题的解决会指日可待[28]。

五、氧化锌纳米材料的研究展望
由于ZnO的广泛应用和多方面的良好的市场前景，纳米氧化锌的开发应用己引起社会各界的高度重视，但同国外相比仍有一段差距，需要进一步的研究和探索，才能使纳米氧化锌应用领域不断扩大。

目前，纳米氧化锌的应用研究不如制备技术研究广泛和深入。

如何更好地发挥纳米氧化锌的优异性能，提高产品的性能价格比，使制造出的产品在国际市场上具有竞争力都是应用研究努力的方向。

总体来说，纳米材料的研究主要包括：①纳米材料结构的研究及其性能的分析、测试及表征；②纳米材料的合理制备；③纳米微粒大小、形状的可控性研究；④纳米材料的工业化生产及实际应用研究[37]。

通过前面的介绍可见，纳米氧化锌的应用研究领域非常广阔，目前存在的问题就是未来研究的课题。

探讨纳米氧化锌更为广阔的应用领域，同时要加强纳米氧化锌物理化学性能方面的研究，以指导和促进纳米氧化锌应用领域的拓展。

把制备技术与应用基础研究有机结合起来，通过控制工程方面的研究，制备出粒度、晶型、形貌等均符合应用的纳米氧化锌。

加强纳米氧化锌与其他纳米材料或非纳米材料的复合添加技术及相关设备的研究，如表面包覆后更好地应用于抗菌、消毒等领域，如抗菌塑料及制品、家电制品、厨房用品、医疗卫生、卫浴洁具、合成纤维、日用品、玩具、电子通讯等；加强应用过程中的相关测试仪器的研究与开发；加强各学科领域的协作与联合；加强科技界与企业界的共同合作[38-41]。

虽然纳米材料的应用属新的研究X畴，相应的理论、技术条件和设备还有待于进一步研究与开发。

但是，可以相信，当进一步了解纳米材料所具有的潜能时，将爆发一场真正的纳米革命，制造一件产品不再需要从现有的少数材料中去搜寻，而是根据产品性能的要求，去设计生产适合该产品需要的材料[42]。

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