纳米氧化锌的部分特性

纳米氧化锌的部分特性

薛元凤051002231

摘要：纳米材料的物理化学性能与其颗粒的形状、尺寸有着密切的关系。因此，单分散纳米材料的制备及其与尺寸相关的性能研究成为近几年人们研究的热点之一。ZnO作为一种宽禁带

半导体具有独特的性质，在纳米光电器件、光催化剂、橡胶、陶瓷及化妆品领域有着广阔的应用前景，随着对不同形状的纳米ZnO的制备及其相关的性能研究不断升温，对其应用方面的研

究进展不断深入，单分散纳米ZnO材料已经引起了人们越来越广泛的关注。ZnO作为一种宽禁带，高激子结合能的氧化物半导体，以其优越的磁、光、电以及环境敏感等特性而广泛地应用于透明电子元件、UV 光发射器、压电器件、气敏元件以及传感器等领域。ZnO 本身晶格结构特点

决定了在众多的氧化物半导体中是一种晶粒形态最丰富的材料。本文主讲纳米氧化锌紫外屏

蔽、光电催化、气敏、磁性等特性，及纳米氧化锌在生活中、工厂作业中的用途。

关键词：紫外屏蔽光电催化气敏导电性磁性

1 引言

随着纳米科学的发展，人类对自然的认识进入到一个新的层次。材料的新性质被逐渐发掘!认识，新的理论模型被提出"著名学者钱学森院士预言：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是二十一世纪的又一次产业革命”。

纳米ZnO具有优异的光、电、磁性能，在当今一些材料研究热点领域表现活跃。与普通ZnO相比，纳米ZnO颗粒尺寸小，微观量子效应显著，展现出许多材料科学家渴望的优异性质，如压电性，荧光性，非迁移性，吸收和散射电磁波能力等。大量科研工作集中于纳米ZnO材料的制备、掺杂和应用等方面。制备均匀、稳定的纳米ZnO是首要任务，获得不同形貌的纳米结构，如纳米球、纳米棒、纳米线、纳米笼、纳米螺旋、纳米环等，将这些新颖的纳米结构材料所具有的独特性能，应用到光电、传导、传感，以及生化等领域，取得了可喜的成绩。世界各国相继大量投入，开发和利用纳米ZnO材料，使其在国防，电子，化工，冶金，航空，生物，医学和环境等方面具发挥更大的作用。

2简介

纳米氧化锌(ZnO)问世于20世纪80年代，其晶体结构为六方晶系P63mc空间群，纤锌矿结构，白色或浅黄色的晶体或粉末，无毒，无臭，系两性氧化物，不溶于水和乙醇，溶解于强酸和强碱，在空气中易吸收二氧化碳和水，尤其是活性氧化锌。

ZnO 晶体结构中，Zn原子按六方紧密堆积排列，每个Zn原子周围有4个氧原子，构成Zn-O4配位四面体结构，如图2.1，晶格常数为a=0.324 nm，c=0.519 nm，密度为5.6 g/cm3，熔点是1720 ℃，升华温度为1800 ℃，是直接带隙n 型半导体，室温下禁带宽度为3.2 eV。

图2.1 ZnO纤锌矿晶体结构

纳米ZnO 是一种面向21 世纪的新型高功能精细无机产品，其粒径介于1~100 nm，作为一种崭新的材料，它在光学、电学以及生物医学等方面表示出了独特的性质。下面具体介绍一下它的各种性能及用途。

3纳米材料ZnO性能及应用

3.1紫外屏蔽性

3.1.1原理

由于小尺寸效应和量子尺寸效应诱导光吸收带的蓝移，使ZnO产生宽频带紫外强吸收能力，对UV A(长波320一400nm)和UVB(中波280一320nm)均有屏蔽作用。又由于纳米ZnO粉体还具有高透明度，高分散性等特点，从而用来设计新型的紫外屏蔽，紫外光过滤，抗老化，抗降解的新型材料，从而紫外线的遮蔽作用被用在紫外线保护用品、日常化工如化妆品、汽车、家具、光学材料上作紫外线遮断保护膜。

3.1.2作用

纳米ZnO在阳光，尤其在紫外线照射下，在不和空气中能自行分解出自由移动的带负电的电子（e-），同时留下带正电的空穴（h+），这空穴可以激活空气中的氧变为活性氧，有的化学活性，能与大多数有机物发生氧化反应，包括细菌内的有机物，从而把大多数病毒和病菌杀死。纳米ZnO的定量杀菌实验表明：在五分钟内，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%。同时，纳米ZnO也是一种重要的紫外线吸收材料。由于紫外线的照射会加速人体皮肤老化及导致皮肤癌。而金属氧化物对光线的遮蔽能力，在粉末粒径为光波的1/2时最大。在整个紫外区（200－400nm），ZnO对光的吸收能力比氧化钛强，纳米ZnO本身无毒无味，对皮肤无刺激性、不分解、不变质、热稳定性好，本身为白色，可作为皮肤的外用药物，对皮肤有收敛、消炎、防腐、防皱和保护等功能。可用于化妆品的防晒剂以防止紫外线的伤害，并能抗菌除臭，可用于生产防臭抗菌抗紫外线的纤维。纳米ZnO的该特性可以广泛应用于化妆品、天然和人造纤维、涂料、包装材料等。

3.2 光电催化机理

3.2.1光催化机理

ZnO是一种典型的半导体材料，它的能带结构通常是由一个充满电子的低能价带(valenco band，VB)

和一个空的高能导带(conductionband，CB)构成，价带和导带之间存在一个区域为禁带，区域的大小通常称为禁带宽度(E g)。当受到能量等于或大于禁带宽度的光照射时，半导体ZnO发生对光的吸收，价带上的电子被激发并跃迁到导带，发生带间跃迁。此时，在导带上产生带负电的高活性电子(e-)，在价带上留下带正电荷的空穴(h+)，这样形成电子(e-)-空穴(h+)对。在电子-空穴对的移动过程中，主要发生两个过程：一部分电子和空穴在体相内或表面相遇而复合；另一部分电子迁移到半导体表面具有很强的还原能力，一方面，它可以直接还原有害的金属离子；另一方面，与吸附的氧结合氧化已经羟基化的产物，生成具有强氧化性的氢氧自由基(·OH)。而迁移到半导体表面的空穴有很强的氧化能力，可以将吸附在半导体表面的OH-和H2O氧化，产生氢氧自由基(·OH)。利用这种高度活性的羟基自由基可以将难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。空穴与电子在半导体ZnO催化剂粒子内部或表面光催化氧化反应机理如图3.2.1所示。

图3.2.1 氧化锌光催化反应示意图

3.2.2光电催化机理

光催化效率的高低主要取决于两个因素：一是催化剂的活性；二是载流子的分离效率。自光催化技术出现以来，人们就在这些方面做了大量的研究工作，并取得了明显进展，如减小颗粒尺寸、沉积贵金属或掺杂过渡金属离子、采用复合半导体技术等都是提高半导体电荷分离能力的有效途径。近年来，一项新型技术-光电催化技术由于具有一系列不容忽视的优势，迅速引起了人们的广泛关注，成为目前研究废水中有机污染物降解领域中的前沿课题。