纳米ZnO的制备

纳米ZnO的制备、表征及应用

摘要:本文比较和综述了纳米ZnO的各种制备方法，并对纳米ZnO的广泛应用进

行了分析和阐述。使用热重分析、扫描电镜分析（SEM）、透射电镜分析（TEM）、粒度分析、X射线衍射仪(XRD)、对所制得纳米ZnO的成分、晶型和形貌进行了表征, 并举例说明了纳米ZnO的一些实际应用。

关键词：ZnO 制备表征应用

纳米ZnO是一种新型的多功能的精细无机材料，出于其颗粒尺寸细小，比表面积较大，所以具有普通ZnO所无法比拟的特殊性能，如表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。同时纳米ZnO也是一种自激活的半导体材料，室温下禁带宽度为3.27eV，激子束缚能为60meV，这就使得纳米ZnO材料从理论上具备了从紫外光至可见光稳定的发射本领。因此，纳米ZnO材料在光电转换、光催化及气体传感器等领域有着广阔的应用前景。

1 纳米ZnO的结构与性质

氧化锌晶体有三种结构：六边纤锌矿结构、立方闪锌矿结构，以及比较罕见的氯化钠式八面体结构。纤锌矿结构在三者中稳定性最高，因而最常见。立方闪锌矿结构可由逐渐在表面生成氧化锌的方式获得。在两种晶体中，每个锌或氧原子都与相邻原子组成以其为中心的正四面体结构。八面体结构则只曾在100亿帕斯卡的高压条件下被观察到。纤锌矿结构、闪锌矿结构有中心对称性，但都没有轴对称性。晶体的对称性质使得纤锌矿结构具有压电效应和焦热点效应，闪锌矿结构具有压电效应。纤锌矿结构的点群为6mm（国际符号表示），空间群是P63mc。晶格常量中，a = 3.25 埃，c = 5.2 埃；c/a比率约为1.60，接近1.633的理想六边形比例。在半导体材料中，锌、氧多以离子键结合，是其压电性高的原因之一。

由于纳米材料晶粒极小，表面积特大，在晶粒表面无序排列的原子分数远远大于晶态材料表面原子所占的百分数，导致了纳米材料具有传统固体所不具备的许多特殊。基本性质，如体积效应、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等，从而使纳米材料具有微波吸收性能、高表面活性、强氧化性、超顺磁性及吸收光谱表现明显的蓝移或红移现象等。除上述的基本特性，纳米材料还具有特殊的光学性质、催化性质、光催化性质、光电化学性质、化学反应性质、化学反应动力学性质和特殊的物理机械性质。

2纳米zno的制备方法

纳米ZnO的制备方法随着对ZnO性能研究的深入应运而生，概括起来一般分直接法和间接法。

2.1直接法

反应方程式：

C+O2=CO2

CO2+C=2CO

ZnO+CO=Zn（蒸气）+CO2

Zn（蒸气）+CO+O2=ZnO+CO2

操作方法：将焙烧锌矿粉（或含锌物料）与无烟煤（或焦炭悄）、石灰石按1：0.5：0.05比例配制成球。在1300℃经还原冶炼，矿粉中氧化锌被还原成锌蒸气，再通入空气进行氧化，生成的氧化锌经捕集，制得氧化锌成品。

3、湿法。用锌灰与硫酸反应生成硫酸锌，再将其分别与碳酸钠和氨水反应，以制得的碳酸锌和氢氧化锌为原料制氧化锌。反应方程式如下：

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑

ZnSO4+Na2CO3=ZnCO3↓+Na2SO4

ZnSO4+2NH3·H2O=Zn（OH）2↓+（NH4）2SO4

以碳酸锌为原料，经水洗、干燥、煅烧、粉碎制得产品氧化锌。ZnCO3→ZnO+CO2↑以氢氧化锌为原料，经水洗沉淀、干燥、煅烧、冷却、粉碎制得产品氧化锌。Zn（OH）2→ZnO+H2O

2.2、间接法

反应方程式：2Zn+O2=2ZnO

操作方法：将电解法制得的锌锭加热至600～700℃熔融后，置于耐高温干锅内，使之1250～1300℃高温下熔融气化，导入热空气进行氧化，生成的氧化锌经冷却、旋风分离，将细粒子用布袋捕集，即制得氧化锌成品。

3 ZnO的表征方法

纳米ZnO的表征方法大概有五种：X射线衍射（XRD）；扫描电子显微镜（SEM）；红外分光光度计分析（FT-IR）；热重分析；粒度分析。

3.1 X射线衍射（XRD）

当X射线作用于晶体时，大部分射线将穿透晶体，极少量射线产生反射，一

部分被晶体吸收。由于X射线是一种能量高，波长短，穿透力强的电磁波，它在晶体内会产生周期性变化的电磁场，迫使原子中电子也做周期性振动，因此每个振动着的电子就成为了新的电磁波发射源，以球面波的方式反射出与入射X光波长、频率、周期相同的电磁波。由于晶体中原子散射的电磁波相互干涉和叠加在某个方向上产生加强和低效的现象就称为衍射，其相应的方向称为衍射方向。用一定波长的X射线照射晶体样品，则根据布拉格公式：

2dsinθ=λ通过测量掠射角（入射或者衍射X射线与晶面间的夹角）θ，即可计算出样品晶体结构的晶面间距，这就是X射线衍射法结构分析的依据。而实际测量过程中一般通过测试结果中的三强峰和朴准卡片中的三强峰进行对比来确定样品的物相。通过谢乐公式还可以大概算出纳米材料的尺寸。d=0.89λ/βcos θ式中d为材料的尺寸，λ为波长，β因颗粒细化而引起的宽化，θ为掠射角。

3.2 扫描电子显微镜（SEM）

由最上边的电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压的作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。出于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极放光和投射电子等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束达到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。

3.3 红外分光光度计分析（FT-IR）

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，如果选择性的吸收某些波长的红外光，以λ或波数为横坐标，以透光率或吸光度为纵坐标所得到的关系曲线即为该物质的红外吸收光，它是鉴别和确定分子结构的常用手段之一。对单组分和混合物也可以进行定量分析，尤其是对些较难分离并在紫外、可见光区没有明显的特征峰的样品可以得到满意的测定结果。红外光是波长在0.75~1000μm的电磁波，波长在0.75~2.5μm的电磁波称为中红外区，而远红外区波长在25~1000μ

m。用红外光谱吸收法测定某物质的组成，因其提供信息多且具有特征性亦不受样品形态、熔点、沸点和蒸汽压等影响的有点而被广泛用。其原理是由于物质对红外光具有选择性吸收的，因此不同的物质便有不同的红外吸收光谱，依据分子红外光谱的吸收峰位置，吸收峰数目及其强度，可以鉴定未知化合物的分子结构或确定其化学基团，从而对物质进行定性分析；依据吸收峰的强度与分子或某化学基团的含量有关，可进行定量分析和纯度鉴定。

3.4热重分析

热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。