纳米氧化锌的功能性质综述与前景展望

纳米氧化锌的功能性质综述与前景展望摘要：纳米氧化锌是当前应用前景较为广泛的高功能无机材料。由于其颗粒尺寸的细微化，比表面积急剧增加，表面分子排布、电子结构和晶体结构都发生变化，具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使纳米氧化锌具有一系列优异的物理、化学、表面和界面性质，在磁、光、电、催化等方面具有一般氧化锌所无法比拟的特殊性能和用途。不但可以处理废水中有机污染物，还可以作为抗菌剂添加到其他物质中，而且随着纳米氧化锌应用范围的不断开拓，其必定会给人们的生活带来众多好处。本文对氧化锌的性质和用途进行了综述，并对纳米氧化锌的应用前景进行了展望。一纳米氧化锌的特性1表面效应纳米粒子粒径减小后，其表面原子数与总原子数之比会逐渐变大，从而导致纳米粒子性质发生改变，粒子的粒径越小，表面的原子数就会越多，使表面原子活泼，可以与其他原子合并，活泼性强，于是产生了“表面效应”。2小尺寸效应当纳米粒子的粒径达到某一值时，纳米粒子的光、电、热、力学、磁等性质有着鲜明的变化，称为小尺寸效应。3宏观量子隧道效应当势垒高度高于微观粒子的总能量时，粒子就可以穿越这个势垒，这种能力称为隧道效应。纳米粒子穿越势垒后，其磁化强度会改变，因此称为宏观的量子隧道效应。4体积效应体积效应是当物质的体积减小时，一种是那些与物质本身有关的性质变了；另一种是物质本身的特性会变动。5介电限域效应介电限域效应是纳米粒子在非均匀介质间的介电增强所产生的一种情况。其对光吸收，光化学等作用很大，而且对纳米粒子的光吸收带边的红移产生作用。二纳米氧化锌的应用1制备抗菌除臭、消毒，抗紫外线产品纳米氧化锌在阳光下，尤其是紫外线照射下，在水和空气（氧气）中能自行分解数自由移动的带负电的电子（e-）,同时留下带正电的空穴（h+）。这种空穴可以激活空气中的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与大多数有机物发生氧化反应(包括细菌内有机物)。从而把大多数细菌和病毒杀死。纳米氧化锌的定量杀菌实验表明，在5min内纳米氧化锌的浓度为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%金属氧化物粉末对光线的遮蔽能力，在粉末粒径为光波长的1/2时最大，在整个紫外光区（200--400nm）氧化锌对光的吸收能力比氧化钛强。纳米氧化锌吸收紫外线能力强，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。纳米氧化锌无毒、无味，对皮肤无刺激性，不分解，不变质，热稳定性好，本身为白色可简单加以着色，价格便宜。氧化锌是皮肤的外用药，对皮肤有收敛、效应、防腐、防皱和保护等功能，可以用于化妆品的防晒剂，以防紫外线的伤害并能抗菌除臭；可以用于生产防腐、抗菌、抗紫外线的纤维，如日本帝人公司生产的采用纳米氧化锌和二氧化钛的混合消臭剂，能吸收臭味，净化空气，可用于制造长期卧床病人和医院消臭绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所用纺织品等；日本仓螺公司将氧化锌粉末掺入异形截面的聚酯纤维，除具有屏蔽紫外线的功能外，还有抗菌、消毒、除臭的奇异功能，除用于制造手术服、护士服，外还可制造内衣、外装、鞋、帽、袜、浴巾、帐篷、日光伞、夏日装、农用工作服、运动服等。加油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，经处理后的产品可制作浴缸、地板、墙砖等。添加纳米氧化锌紫外线屏蔽涂层的玻璃可抗紫外线、耐磨、抗菌和除臭，可用作汽车玻璃和建筑用玻璃。在石膏中掺入纳米氧化锌及金属过氧化物粒子后，可制得色彩鲜艳|不易褪色的石膏产品，具有优异的抗菌性能，适用于建筑材料和装饰材料。将一定量的超细ZnO.Ca(OH)2.AgNO3等物质加入25%的磷酸盐溶液中，经混合、干燥、粉碎等再制成涂层涂与电话、电脑等，有很好的抗菌性能。2用于催化剂和光催化剂气体通过纳米材料的扩散速度为通过其他材料的上千倍，因此，纳米颗粒是极好的催化剂。纳米氧化锌由于尺寸小、比表面积大、表面的键态与颗粒内部不同、表面原子配位不全等，导致表面活性位置增多，形成了凹凸不平的原子台阶，加大了反应接触面。纳米催化活性和选择性远远大于其传统催化剂。纳米氧化锌是一种很好的光催化剂，在紫外线的照射下，能分解有机物质，能抗菌除臭。3制备气体传感器及压电材料它是利用纳米氧化锌周围气氛中组成气体的改变，其电学性能--电阻发生变化，对气体进行检测和定量测定的。目前已有利用纳米氧化锌的电阻变化制备的气体报警器和湿度计。将纳米氧化锌便于喷涂与质量控制，易于极化和转向，表现出比较理想的电特性和动态特性，适用于瞬态信号的测量。利用纳米氧化锌的压电性能，可制压电音叉、振子表面滤波器等。4制备图像记录材料纳米氧化锌依制备条件可获得光导电性、半导体性和导电性等不同性质。利用这种变异，可用作图像记录材料；还可以利用其光导电性质用于电子摄像；利用半导体性质可做放电击穿记录纸；利用导电性质做电热记录纸等。其优点是无三废公害，画面质量好，可高速记录，能吸附色素进行色彩复印，酸蚀后有亲水性，可用于胶片印刷等5用于荧光体和电热器纳米氧化锌在低压电子射线下，唯一可发射荧光的物质，光色为蓝色和红色。添加了氧化锌、二氧化硅、二氧化锰等的陶瓷粉经烧结而成的具有高介电常数、表面微细平滑的片状体，可用于制造陶瓷电容器。6用于隐身技术---雷达波吸收材料雷达波吸收材料（简称吸波材料）系指能有效地吸收入射雷达波并能使其散射衰减的一种功能材料。纳米氧化锌等金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点，作为一有发展前途的新型军用雷达波吸附剂，而成为吸附波材料研究的热点之一。7用于橡胶工业和涂料工业纳米氧化锌是制造高速耐磨橡胶制品的原料，如飞机轮胎、高级轿车子午胎线等。与其他纳米材料配合用于建筑内外墙乳液涂料及其他涂料中，使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线及抗菌防霉作用，同时还有增稠作用，以便颜料分散的稳定性。三纳米氧化锌的现状纳米氧化锌应用研究出来在橡胶、化工、涂料、陶瓷、玻璃、电子、医药卫生和食品等传统工业外随着材料纳米化和功能性的深入研究，进一步拓宽了它的应用领域，其中紫外线屏蔽、光催化导电氧化锌等方面的应用研究开展的比较多。但从上述的应用情况来看，对纳米氧化锌的应用基本理论的研究比较少。根据光敏半导体催化理论和实验发现，半导体催化能力和其能级结构有关，其禁带宽度越小，催化能力越强。但从禁带所处能级及抗光阴极腐蚀性来看，半导体粉末催化活性顺序为TiO2ZnOWO3。纳米光催化主要用于分解有机物、贵金属回收，对废水和空气中有机物、NO等有害物进行催化、氧化、分解来金华和空气，还能使微生物、细菌等分解成CO2和H2O，起到灭菌、除臭、防污、自洁的作用。由于大气臭氧层的破坏，到达地球表面的紫外线强度日趋增加，人类由此造成的皮肤病威胁越来越大。因此，紫外线的防护已成为非常重要的研究课题之一。对纳米氧化锌紫外线的研究主要是防辐射的问题。四目前存在的问题如何寻找纳米氧化锌与传统领域融合的切入点和突破口，是推动纳米氧化锌应用研究的关键。纳米氧化锌的应用研究同其他纳米材料一样还处于初级阶段，应用基础理论的研究还不断深入，一些应用领域还未开发。纳米氧化锌作为一种良好的光催化剂，可用于抗菌消毒、屏蔽紫外线等，但目前的研究中还存在一些问题：反应机理的研究缺乏中间体的鉴定；用于公共设施的杀菌技术；新型的半导体复合催化剂的开发；多元复杂组分有机物体系的考察，目前的报道大多为单一组分考察；大型工业化的光催化氧化反应器的设计；光催化剂的寿命、中毒、再生与回收。对纳米氧化锌的制备技术研究已开展得比较广泛，但对其物理化学性质的研究还不够深入，这也是导致纳米材料应用滞后的主要原因之一。应用过程中还存在一些相关技术问题需要解决，如运输和使用过程中的团聚与分散问题，材料表面改性技术等。五前景展望纳米氧化锌有着广阔的前景。应当对于纳米氧化锌或者说绝大部分纳米材料应当通过控制制备条件制造出不同晶型，不同粒径的纳米材料，对比其间性质功能的差异寻找各种晶型尺寸纳米材料最适用的领域和进一步改进其制造工艺寻找不同领域最适合晶型。应当加强纳米材料和其他材料的复合的研究，使其能更好的实现其功能。应当加强不同学科之间的联合。参考文献[1]杨剑，腾风恩.纳米材料综述[J].科技导报，2007（9）[2]刘海环，纳米氧化锌的制备及其光催化性能的研究[D].[硕士学位论文]大连；大连交通大学.2009[3]肖力光，周建成，马振海.纳米技术及其在建筑材料中的应用[J].吉林建筑工程学院学报.2003[4]徐敬明，动物学教程[M]。济南；山东大学出版社，2003[5]竺玉书.[J].涂料工业.2004(11);24-27[6]李晓娥，祖庸[J].化工进展.2009(4):35-37[7]胡春，刘星娟，李爽.[J].环境科学学报2008(1)[8]刘雪宁，杨治中.[J].物理化学学报.2000。16（8）：746-748[9]Castillola,silleta,roussyj,etal.Treatmentofhighorganicloadedindustrialeffluentriver[J]WaterScienceandTechnology,2010,6(11):115--118[10]MichaclR.H,ScotT.M,ChoiW.Y,etal.Environmentalapplicationofsemico-nductorphotocatalysis[J].ChemistryReviews,2006,95(3);35-39[11]HuiM.K.XiH.K.theinvestigationonphotocatalytictreatmentofwastewatercontainingphenoloverZnO[J],TransactionsoftianjinUniversity,1996,11(2);2[12]PrashantV,KamtL,DanM,etal.Nanoparticlesinadvancedoxidationprocess[J].CurrentOpinioninColloid&InterfaceScience,2012,7(6)：282-287[13]HariharanC.PhotocatalyticdegradationoforganiccontaminnantsinwaterbyZnoNanopar-ticles[J]AppliedcatalysisA;General,2006,45(12)31-35[14]Mitarai,Takeshi.JP.63288914[15]El-shallMS,SlackW,VannW,etalJPhyschem,2004,98(12);3067-3070[16]严东生.纳米材料的合成与制备[J].无机材料学报，2005.10(1);1[17]YunChankang,SeungBinPark.Jmatersci,2006,31(22);2409-2416[18]高长华.纳米氧化锌粉体的制备与改性及其他在内墙涂料上抗菌应用研究[D].[硕士学位论文].南昌；南昌大学，2007[19]BourlinosAB,StassinopoulosA,AnglosD,etal.FunctionalizedZnOnanoparticleswithliquidlikebehaviorandtheirphotoluminescenceproperties.Small.2006;2(4):513-516.[20]GumJR,WangAS,ChenCH,etal.Ultrafinetitaniumdioxideparticlesintheabsenceofphotoactivationcaninduceoxidativedamagetohamanbronchialepithelialcells.Toxicology.2005;213(1-2):66-73.