纳米氧化锌的制备方法研究—开题报告

纳米氧化锌制备方法研究——开题报告摘要：本文对均匀沉淀法和直接沉淀法合成纳米氧化锌进行了详细的研究以及对纳米氧化锌的制备方法进行探索，研究表明：均匀沉淀法和直接沉淀法在液相制备纳米氧化锌有明显优势。

直接沉淀法中用草酸铵为沉淀剂制备纳米氧化锌。

在直接沉淀法制备纳米氧化锌的关键是控制硝酸锌的浓度、草酸铵的浓度以及滴加速度、表面活性剂加入时间。

纳米氧化锌在可见光区的优良透光性以及紫外光区强的吸光率能用于制备防晒化妆品。

关键词：氧化锌，均匀沉淀法，表面活性剂，直接沉淀法，吸光率一、纳米技术：纳米科学与技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。

研究的内容涉及现代科技的广阔领域，纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。

纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。

其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。

这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子[1]。

就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。

一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。

因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。

纳米粒子的粒径（10纳米～100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。

金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。

纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。

小尺寸效应﹑表面效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应和介电限域应都是纳米微粒和纳米固体的基本特征，这一系列效应导致了纳米材料在熔点﹑蒸气压﹑光学性质﹑化学反应性﹑磁性﹑超导及塑性形变等许多物理和化学方面都显示出特殊的性能。

它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理﹑化学性质。

正因如此，纳米材料具有许多奇异功能，应用前景广阔。

随着纳米科学研究的日渐升温，纳米材料科学已经成为其主要学科分支，是纳米科技的重要基础。

它的研究任务主要包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微观结构和谱学特征，通过和常规材料做比较，找出纳米材料的特殊规律、建立有关纳米材料的概念和新理论，发展和完善纳米科学体系；而是开发新型纳米功能材料。

二、纳米氧化锌：纳米ZnO作为一种新型的半导体材料，与普通氧化锌相比，具有许多特殊的性质，如无毒和非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力，因此在很多领域有极为广泛的应用前景。

世界各国对纳米ZnO的研究主要包括制备、微观结构、宏观物性和应用等四个方面。

其中制备技术是关键，因为制备工艺过程与控制对其微观结构和宏观物性具有重要的影响。

纳米氧化锌的研究为锌产品的深加工开发提供方向。

纳米氧化锌是高附加值产品。

在品质飞跃的同时，使用价值亦随之倍增5~10倍以上。

纳米氧化锌的应用除了在橡胶、化工、涂料、陶瓷、玻璃、电子和医药卫生和食品等传统工业外，随着材料纳米化功能性的深入研究，拓宽了它的应用领域，如紫外线屏蔽、光催化导电氧化锌等方面的应用研究比较多。

由于大气臭氧层破坏，达到地球表面的紫外线强度日趋增多，人类由此造成的皮肤病威胁增大。

因此，紫外线防护已成为非常重要的研究课题之一。

纳米氧化锌防紫外线的研究主要是防辐射效率问题。

对于锌矿加工的厂家，他们期望能在现有的设备条件下进行锌矿的深加工。

如能研究出一种原料易得、操作简单的制备纳米氧化锌的方法，那将为锌矿加工的厂家带来较大的经济效应。

因此，研究一种成本低、操作简单的纳米氧化锌的制备方法有重要意义。

纳米氧化锌在防紫外线方面的应用已经成为一种热点。

研究纳米氧化锌的水溶胶在可见光的透光性以及在紫外区的屏蔽也同样具有非常重要的意义[2]。

2.1纳米氧化锌的物化性质：纳米氧化锌为白色粉末，无毒、无味、无污染，其粒子尺寸小，比表面积大，因而它具有明显的表面与界面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应以及高透明度、高分散性等特点，使其在化学、光学、生物和电学等方面表现出许多独特优异的物理和化学性能。

室温下，ZnO禁带宽度约为3.37eV，是一种新型的宽禁带直接带隙化合物半导体材料。

其激子束缚能高达60meV，在室温下不会全部分解，这意味着ZnO光致发光和受激辐射具有较低的闭值，因而更易在室温下实现高效受激发射。

ZnO被认为是一种更合适用于室温或更高温度下的紫外光发射材料。

纳米ZnO作为优异的半导体氧化物材料，在光电、化学方面表现出其他材料无可比拟的优越性能，主要是显著的量子限域效应和强烈的紫外吸收、低闽值高效光电特性、紫外激光发射以及压电、光催化及载流子传输等方面性质。

此外，ZnO材料还具有高的熔点和热稳定性、植被简单、高机械强度和较低的电子诱生缺陷等优点，是一种来源广泛、成本低、毒性小，具有生物相容性的天然材料[3]。

2.2纳米氧化锌的用途：纳米ZnO由于其尺寸介于原子簇和宏观微粒之间，具有许多宏观材料所不具有的特殊性质，使其在光吸收、敏感、催化及其他功能特性等方面展示出引人注目的应用前景。

2.2.1橡胶工业的应用：纳米氧化锌是橡胶工业最有效的无极活性剂和硫化促进剂，纳米氧化锌具有颗粒微小，比表面积大，分散性好，疏松多孔，流动性好等物理化学特性，因此，与橡胶的亲和性好，熔炼时易分散，胶料生热低，扯断形变小，弹性好，改善材料工艺性能和物理性能。

用于制造高速耐磨的橡胶制品，如飞机轮胎，高级轿车用的子午线胎等，具有防止老化、抗摩擦着火使用寿命长等优点，大幅度提高了橡胶制品的光洁度、机械强度、耐温和耐老化性能，特别是耐磨性能[4]。

2.2.2化妆品中的应用：纳米ZnO无毒、无味、对皮肤无刺激性、不分解、不变质、热稳定性好，且纳米ZnO本身为白色，可以简单地加以着色，价格便宜、吸收紫外线能力强，对长波紫外线（UVA，波长320～400nm）和中波紫外线（UVB，波长280～320nm）均有屏蔽作用，因而得以广泛使用。

2.2.3自洁性陶瓷与抗菌玻璃：纳米ZnO可不经磨碎直接使用，并使陶瓷品的烧结温度降低675～857℃。

烧结成品光洁如镜，减少了生产工序，降低了能耗。

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，经处理后的产品科制浴缸、地板砖、卫生间及桌椅等。

添加纳米ZnO紫外线屏蔽层的玻璃可抗紫外线、耐磨、抗菌和除臭，可以用作汽车玻璃和建筑用玻璃。

2.2.4图像记录材料：纳米ZnO依制备条件可获得光导电性，半导体和导电性等不同性质，利用这些性质，可用作图像记录材料，还可利用其光导电性质用于电子摄影。

利用半导体性质可作电击穿记录纸等。

其优点是无三废公害，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。

2.3纳米氧化锌的制备方法简述：2.3.1物理方法：物理法包括机械粉碎法和深度塑性变形法。

机械粉碎法是采用特殊的机械粉碎、电火花爆炸等技术 ,将普通级别的氧化锌粉碎至超细。

其中张伟等人利用立式振动磨制备纳米粉体 ,得到了α-Al2O3，ZnO、MgSiO3等超微粉 ,最细粒度达到 0. 1μm此法虽然工艺简单 ,但却具有能耗大,产品纯度低 ,粒度分布不均匀 ,研磨介质的尺寸和进料的细度影响粉碎效能等缺点。

最大的不足是该法得不到1—100nm 的粉体 ,因此工业上并不常用此法;而深度塑性变形法是使原材料在净静压作用下发生严重塑性形变 ,使材料的尺寸细化到纳米量级。

这种独特的方法最初是由 Islamgaliev 等人于 1994 年初发展起来的。

该法制得的氧化锌粉体纯度高，粒度可控,但对生产设备的要求却很高。

总的说来 ,物理法制备纳米氧化锌存在着耗能大 ,产品粒度不均匀,甚至达不到纳米级,产品纯度不高等缺点,工业上不常采用,发展前景也不大[5]。

2.3.1.1磁控溅射：磁控溅射法是目前制备ZnO薄膜最主要的方法，也是最成熟的制备方法。

溅射是利用高能带电粒子轰击靶材，使靶材原子或分子被溅射出来并沉积到衬底成膜。

在溅射过程中，辉光放电产生的正离子经电场加速，撞击阴极靶材，通过交换动量，靶材以中子、离子和二次电子等形式剥离。

目前对磁控溅射研究结果较多，表明靶材类型、溅射功率、氧分压、衬底温度等对成膜的质量有明显影响。

2.3.1.2分子束外延法(MBE法)：在lOPa超高真空下以(0．1～1)nm／s的慢沉积速率蒸发镀膜称为分子束外延。

梁红伟等人利用等离子体辅助分子束外延法在Si衬底上生长了ZnO薄膜，并用x射线衍射谱和光致发光谱对ZnO薄膜进行了表征。

这种制备方法得到的薄膜质量最好，但对设备要求较高。

2.3.1.3激光脉冲沉积法：HPPLD法，是将高功率的脉冲激光束经过聚焦之后通过窗口进入真空室照射靶材，激光束短时间内在靶表面产生高温及熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体(T≥104K)，这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜．孙开通等人利用PLD方法制备了氧化锌纳米柱，并研究了其发光性能，得到了较理想的成果[6]。

2.3.1.4机械法：机械法包括机械粉碎法和深度塑性变形法。

机械粉碎法采用特殊的机械粉碎、电火花爆炸等技术，将块体的氧化锌粉碎至超细。

L.C.Damonte等人研究了利用立式振动磨制备纳米粉体的过程和技术，得到了ZnO纳米粉体，最细粒度可达到40nm。

工艺简单，但该法存在能耗大，产品纯度低，粒度分布不均匀等缺点。

2.3.2化学方法:化学法是纳米粉体制备工艺中常用的制备方法，具有成本低 ,设备简单 ,易放大进行工业化生产等特点。

化学法中按照物质的原始状态分类，相应的制备方法可主要分为溶胶-凝胶法、醇盐水解法、直接沉淀法、均匀沉淀法等。

2.3.2.1溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法制备纳米粉体的工作开始于 20 世纪60年代。

近年来,用此法制备纳米微粒、纳米薄膜、纳米复合材料等的报道很多。

它是以金属醇盐Zn(OR)2为原料 ,在有机介质中对其进行水解、缩聚反应 ,使溶液经溶胶化得到凝胶 ,凝胶再经干燥、煅烧成粉体的方法。