纳米氧化锌晶体概述

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纳米氧化锌晶体概述

钱学森91 马博

摘要：纳米氧化锌是一种具有特异性能并且用途广泛的新材料，同时也是一种重要的基础化工原料。本文首先介绍了纳米氧化锌晶体的基本物理和化学性质，基于这些性质，进一步阐述了纳米氧化锌在各个行业的应用。其次，本文对纳米氧化锌的制备方法进行了较为详细和系统的介绍。于此同时，为了对纳米氧化锌的性质进行改进，以扩大其应用领域，最后，我们又对纳米氧化锌的表面改型进行了较为深入地分析。

关键词：纳米ZnO；性质；应用；制备；改性

目录

1 纳米氧化性概述 (5)

1.1氧化锌的基本性质 (5)

1.2氧化锌晶体的结构 (5)

1.3纳米氧化锌的基本性能[3] (5)

1.3.1表面效应 (5)

1.3.2体积效应 (5)

1.3.3量子尺寸效应 (6)

1.3.4宏观量子隧道效应 (6)

2 纳米氧化锌的应用 (6)

2.1纳米氧化锌在橡胶轮胎中的应用[6] (6)

2.2纳米氧化锌在陶瓷中的应用[8] (6)

2.3纳米氧化锌在防晒化妆品中的应用 (6)

2.4纳米氧化锌在油漆涂料中的应用 (7)

2.5纳米氧化锌在纺织中的应用 (7)

2.6纳米氧化锌在催化剂和光催化剂中的应用 (7)

2.7纳米氧化锌在磁性材料中的应用[5] (7)

2.8作为填充剂的应用 (8)

3 纳米氧化锌的制备方法 (8)

3.1固相法 (8)

3.1.1燃烧法[14] (8)

3.1.2固相合成法[14] (8)

3.2液相法 (8)

3.2.1直接沉淀法 (8)

3.2.2均匀沉淀法[16] (9)

3.2.3并流沉淀法[17] (9)

3.2.4溶胶-凝胶法[18] (9)

3.2.5水热合成法[19] (10)

3.2.6微乳液法[20] (10)

3.3气相法[21,22] (10)

3.3.1激光诱导气相沉积法 (10)

3.3.2气相反应合成法 (10)

3.3.3喷雾热解法 (10)

3.3.4化学气相氧化法 (10)

4 纳米氧化锌的表面改性 (11)

4.1表面物理修饰法 (11)

4.1.1表面活性剂法[24] (11)

4.1.2表面沉积法 (11)

4.2表面化学修饰法 (11)

4.2.1酯化反应法[27] (11)

4.2.2 偶联剂法[24] (11)

4.2.3表面接枝改性法[28] (12)

4.2.4 机械化学修饰[29] (12)

4.2.5外层膜修饰 (12)

4.2.6 高能量表面修饰 (12)

4.2.7其它方法[30] (13)

1 纳米氧化性概述

1.1 氧化锌的基本性质

氧化锌，俗称锌白，属六方晶系纤锌矿结构，白色或浅黄色晶体或粉末，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，在空气中能吸收二氧化碳和水[1]。

1.2氧化锌晶体的结构

氧化锌晶体是纤锌矿结构，属于六方晶系，为极性晶体。氧化锌晶体结构中，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，晶体中负离子配位多面体就成为研究晶体结构与形貌基本结构的单元。Zn−O4−6在一个晶胞层中可分为上、下两层，两层四面体，而上、下两层四面体的顶角和面与六方柱之间的对应关系是相同的。同时，上、下两层Zn−02四面体的顶角都是指向晶体的负极面。正极面与四面体的

面平行，在C轴方向Zn、0原子的分布是不对称的，表现出极性晶体的特征[2]。

1.3纳米氧化锌的基本性能[3]

纳米氧化锌(ZnO)是一种直接宽带隙半导体材料，室温下其禁带隙宽3.37eV，激子束缚能为60 meV。纳米氧化锌的粒径介于1-100 nm，由于颗粒尺寸的细微化，颗粒比表面积急剧增加，使得纳米氧化锌产生了其本体块状物料所不具备的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等，因而使得纳米氧化锌在磁、光、电、敏感性等方面具有一般氧化锌产品无法比拟的特殊性能和新用途[4]。

1.3.1表面效应

球形粒子的表面积与其半径平方成正比，体积与其半径的立方成正比，所以表积比（表面积与体积之比）与粒子半径成反比。表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比（即表面积与体积之比）随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，另外，纳米粒子的表面积、表面能及表面结合也都迅速增大。这主要是由于粒径越小，处于表面的原子数越多。同时，表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性。所以，伴随表面能的增加，其颗粒的表面原子数增多，表面原子数与颗粒的总原子数的比值也增大，于是便产生了“表面效应” [5]，使其表面与内部的晶格振动产生了显著变化，导致纳米材料具有许多奇特的性能。

1.3.2体积效应

纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化剂及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，这就是纳米粒子的体积效应，这种体积效应为实际应用开拓了广阔的新领域[6]。

1.3.3量子尺寸效应

当微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阈值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。

纳米粒子的量子尺寸效应使其在光、磁、热、电、催化等特性与普通材料有显著的不同。对半导体材料而言，尺寸小于其本身的激子波尔半径，就会表现明显的量子效应。

1.3.4宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势阱的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应，该效应与量子尺寸效应一起确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间[7]。

2 纳米氧化锌的应用

2.1纳米氧化锌在橡胶轮胎中的应用[6]

橡胶工业是氧化锌的最大用户，纳米氧化锌作为普通氧化锌的代换材料，在橡胶工业中的应用已越来越受到重视。这是因为纳米氧化锌具有颗粒微小，比表面积大，分散性好等优良的物理化学特性，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，不仅改善了橡胶制品的表观质量和内在质量，而且其用量仅为等级氧化锌用量的30％-50％，降低了企业的生产成本。

2.2纳米氧化锌在陶瓷中的应用[8]

陶瓷行业是纳米氧化锌的又一大用户。纳米氧化锌可不经磨碎直接使用，并使陶瓷制品的烧结温度降低400-600℃，烧成品光亮如镜，有很好的“成像效应”，故可减少工序，降低能耗，极大地提高产品的质量和产量。加有纳米氧化锌的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用。

2.3纳米氧化锌在防晒化妆品中的应用

纳米ZnO的紫外-可见光特性的研究表明，在可见光区，纳米ZnO比普通ZnO对可见光的吸收弱得多，有很好的透过率；而在紫外区，纳米ZnO对紫外光的吸收能力远远高于普通ZnO，说明纳米ZnO具有很好的可见光透明性以及紫外线遮蔽特性。因而纳米ZnO是比较理想的紫外线屏蔽剂，与有机紫外线吸收剂相比，无机纳米ZnO具有无毒，并且具有对皮肤无刺激，不分解，不变质，价格便宜，吸收紫外线能力强的特点，可以应用于防化纤纺织品老化、防晒化妆品等领域。