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1、存档日期： 存档编号: 北京化工大学研究生课程论文课程名称： 纳米材料化学 课程代号： ACh530 任课教师： 左胜利 完成日期： 2011 年 12 月 8 日专 业： 化 学 学 号： 2011200989 姓 名： 李浩 成 绩： ZnO纳米材料的制备与应用摘 要本篇综述从制备方法和应用领域出发，论述了制备ZnO纳米材料的一些常用方法如直接沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法、模板法、水热合成法等，并简单介绍了氧化锌纳米材料在环境、食品、油漆涂料、橡胶、塑料、树脂、纺织品、化妆品等领域的应用。关键词：ZnO纳米材料 制备 应用目 录前 言1第1章 氧化锌纳米材料的结构与性质21.1节 氧化锌
2、纳米材料的结构21.2节 氧化锌纳米材料的主要性质2第2章 氧化锌纳米材料的制备方法及应用领域42.1节 氧化锌纳米材料的制备方法42.2节 氧化锌纳米材料的主要应用领域6结 论8参考文献9前 言19世纪末到20世纪初，人类对微观世界的认识已经延伸到一定层次，时间上已经达到了纳秒、皮秒和微妙的数量级。随着研究的深入，20世纪70年代，人类开启了规模生产纳米材料的历史。纳米微粒狭义上是指有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米碳管、纳米固体材料的总称，而广义上则指晶粒或晶界等显微构造能达到纳米尺寸材料。该新型材料必将以其独特的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等性质在各个
3、领域崭露头角。例如复合材料、大规模集成电路、超导线材料多相催化等方面的开发及应用。近年来，纳米材料的合成方法及应用领域受到了研究者的广泛关注，TiO2、ZnO、CaF2、Al2O3纳米材料的研究成果及学术报告日益增多。尤其是与人们日益提高的生活质量戚戚相关的纳米氧化锌材料制备及应用。纳米氧化锌具有许多优良性能如压电性能、近紫外发射性、透明导电性、生物安全及适应性等，使其在非标柴油有害物质吸收、抑制食品污染菌、抗紫外线、压电材料、紫外光探测器、场效应管、表面声波、胎压、太阳能电池、气体传感器、生物传感器等领域有着广阔的发展前景而氧化锌复合材料的制备及研究也有着对人类生活不可估量的巨大作用。第1章
4、 氧化锌纳米材料的结构与性质1.1节 氧化锌纳米材料的结构纳米ZnO是由三种不同结构组成，岩盐矿结构、闪锌矿结构以及纤新矿结构。制备方法不同所得到的纳米ZnO材料的形貌及维数不同。氧化锌纳米点、纳米微乳液、纳米悬浮液、纳米薄膜、纳米线、纳米管、纳米棒、纳米花、纳米弹簧、纳米环、纳米梳、纳米钉、以及复合物等已经被成功制备有望使纳米氧化锌的应用更加的广泛，独特的优异性使该材料应用于纳米器件及微电子设备的可能性增大。纳米氧化锌粒子作为联系宏观物体及微观粒子的桥梁，在化学、物理学、光学、电学、磁性等方面具有广阔的发展空间。1.2节 氧化锌纳米材料的主要性质氧化锌纳米粒子的表面效应ZnO纳米微粒尺寸小，
5、表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大会引起纳米材料性质上的变化。表面原子的周围缺少相邻的原子，所以会有许多悬空键，易与其它原子相结合而稳定，具有较高的化学活性。氧化锌纳米粒子的小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸变化引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，会声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。氧化锌纳米粒子强的吸附能力纳米ZnO粉末由于具有很高的比表面能，粉体
6、表面含有羰基、羟基等多种官，因此具有优越的吸附性能1。氧化锌纳米粒子对紫外线的屏蔽纳米氧化锌由于具有较好的化学稳定性、热稳定性、不分解、不变质、无毒、无味、屏蔽紫外线波长范等特点，是一种广谱的无机紫外屏蔽剂。第2章 氧化锌纳米材料的制备方法及应用领域2.1节 氧化锌纳米材料的制备方法对于纳米材料的制备方法，目前尚无明确的分类标准。按照物质的原始状态可分为固相法，液相法和气相法；按研究纳米粒子的学科分类，可将其分为物理方法、化学方法和物理化学方法；按其制备技术分类，又可分为机械粉碎法、气体蒸发法、溶液法、激光合成法、溶胶-凝胶法2、等离子体合成法3、射线辐照合成法等。但是就实际操作而言，经常采用
7、的方法有微乳液法4、沉淀法、水热法模板法、溶胶-凝胶法、悬浮液法5、金属有机气相外延生长法、射频磁控溅射法等。微乳液法用油酸、正丁醇和氢氧化钠水溶液按10:10:9的比例制成微乳液，充分搅拌搅拌，再向烧杯中加入硫酸锌溶液，生成沉淀离心分离、干燥即得产品。此法是由水、油、表面活性剂、助表面活性剂所形成的分散质点大小在仅为10100nm热力学稳定分散体系，微乳液的水核或油核提供的纳米粒子形成了“微反应器”，所制得的粒子单分散性好。沉淀法沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。沉淀法
8、制备纳米粒子主要分为直接沉淀法、共沉淀法、均相沉淀法、化合物沉淀法、水解沉淀法等多种。直接沉淀法是在锌的可溶性盐中加入一种沉淀剂，首先制成另一种不溶于水的锌盐或锌的碱式盐、氢氧化锌等，即形成沉淀，然后对沉淀物进行洗涤、干燥、加热处理便制成了氧化锌纳米粒子。直接沉淀法的具体过程如下：将硫酸锌和碳酸铵缓慢混合，用超声波分散及陈化一定时间，用稀氨水洗涤、无水乙醇脱氢，所得先驱物恒温干燥再煅烧即得纳米氧化锌粒子6。用直接沉淀法制备纳米氧化锌时，方法比较简单，操作简单而且成本低，但是影响纳米颗粒粒度的因素很多，而且纯度低，因为在过滤、洗涤、烧结过程中会有大量的杂质，均匀性也不好，所以制得的氧化锌纳米颗粒
9、是粗产品。均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子从溶液中缓慢地均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂的浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡的状态，从而使构晶离子均匀的析出。加入的沉淀剂不会立刻与被沉淀组分发生反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生长，克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。用均匀法制备纳米氧化锌时，以尿素为沉淀剂，尿素也是最常用的沉淀剂，与可溶性Zn2+反应制备纳米氧化锌。从可溶性Zn2+盐中优化出最佳原料为硝酸锌。筛选出最佳工艺条件为：尿素与硝酸锌的物质的量之比为35：1，反应时间为10h,反应温度为105，收率为93.80%,粒径为111
10、7nm。均匀沉淀法是一种制备组成均匀的纳米粒子的理想方法，有较好的工业发展前景。水热合成法水热合成法是液相中制备纳米粒子的一种新方法。一般是在100350下和高气压环境下，使无机或有机化合物与水化合，通过加速渗析反应和物理过程的控制，得到改进的无机物，再过滤、洗涤、干燥，从而制得高纯、超细的各类微粒子。水热合成法制备纳米ZnO，是将双水醋酸锌在二乙烯乙二醇中加热并不断搅拌，经过在室温下冷却，再用离心机将水分离及得到ZnO粉末。目前，水热合成法作为一种新技术已经引起人们的重视，此法制备的粉体具有极好的性能，晶粒发育完整，粒径小且分布均匀，团聚程度小7。其中日本应用研发的水热合成法制备出了粒径、形
11、状和成分均匀的高质量氧化锆、氧化铝和磁性氧化铁纳米粒子。模板法模板法是合成ZnO纳米材料较有效地一项技术，具有良好的可控性，可利用其空间限制作用和模板剂的调试作用对合成材料的大小、形貌、结构和排布等进行控制8。常用的模板剂有两类：固体模板、软模板。溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法已发展多年，国内外均开展了这方面的研究，并取得了很大的进展。溶胶-凝胶法是制备纳米粒子的一种湿化学法。它的基本原理是以液体的化学试剂配制成金属无机盐或金属醇盐前驱物，前驱物溶于溶剂中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物经聚集后，一般生成1nm左右的粒子并形成溶胶。通常要求反应物在液相下均匀混合，均匀反应，反
12、应生成物是稳定的溶胶体系。溶胶-凝胶法制得的纳米粒子化学均匀性好，胶粒及胶粒间化学成分完全一致；高纯度，粉料制备过程中无需机械混合；颗粒细，胶粒尺寸小于0.1nm；可容纳不可溶性组分或不沉淀组成；化学反应容易进行，仅需要较低的合成温度；只要选择合适的条件可以制备各种新型材料。溶胶-凝胶法也存在某些问题，目前所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害 ，在溶胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将逸出许多气体及有机物并产生收缩；而且金属盐的水解反应对溶胶体系的影响也大，这些不足都有待我们去改善。激光加热法激光加热法是在空气气氛中用激光束直接照射锌片表面，经加热、汽化、蒸发、氧化等过程，来制
13、备氧化锌纳米粉末。激光加热法提高了原料的利用率以及相应的纳米粒子的产率。2.2节 氧化锌纳米材料的主要应用领域纳米氧化锌在吸附非标柴油有害物质方面的应用随着我国经济的快速发展，柴油在日常生活中扮演着越来越重要的角色，然而，由于技术上的限制，我国的非标柴油质量状况非常令人担忧，硫、氮等含量大，沉渣多，色度、胶质含量也严重超标等现象屡见不鲜。因此，除去油品中的有害物质变的十分迫切。纳米氧化锌粉末由于具有很高的比表面能，粉体表面含有羰基、羟基等多种官能团，因此具有优越的吸附性能。通过ICP分析发现，纳米氧化锌粉体对非标柴油中的钙、钠、铅等有较强的吸附9，平均吸附率达到74.77%。纳米氧化锌在食品安
14、全方面的应用近年，随着人们生活水平的提高，食品安全问题受到的越来越多人们的关注，食品中蛋白质丰富，水分含量高，很容易滋生微生物而引起食物腐败变质，大大的缩短了食品的保质期。纳米氧化锌抗菌剂与现在普遍使用的可食用抗菌膜相比具有杀菌性强、安全性好的特点10，是目前是食品保藏领域研究开发的热点。纳米氧化锌在橡胶轮胎中的应用橡胶工业是纳米氧化锌的最大用户。纳米氧化锌与普通氧化锌对橡胶性能的影响是很大的。纳米氧化锌胶料的拉伸强度及扯断伸长率在热空气老化后的保持率明显优于普通胶料，所以用纳米氧化锌代替普通氧化锌制造了高速耐磨橡胶制品，如飞机轮胎、高级轿车用的子午线胎。将纳米氧化锌作为导电的白色颜料填充于橡胶中，研制出了导电性橡胶，用在制造静电屏蔽橡胶及制品。纳米氧化锌在屏蔽紫外线方面的应用纳米氧化锌是一种广谱的无机紫外屏蔽剂，具有较好的化学稳定性、热稳定性、不分解、不变质、无毒、无味、屏蔽紫外线波长范围广等特点，是一种光谱屏蔽剂，将来有望应用于化妆品、涂料、橡胶、塑料、树脂、纺织品等领域。纳米氧化锌在油漆涂料中的应用纳米氧化锌可以明显提高涂料的耐老化性能，可作为涂料的抗老化添加剂，还可用来制造汽车专用的变色颜料，添加在金属闪光的油漆中，能随着角度的变化使涂层产生丰富的颜色效应，使车身表面产生较好的成像效果，增辉闪光。纳米氧化锌在电化学中的应用纳米氧化锌具有较好的抗氧化性和抗腐蚀
