氧化锌(英文: 锌 氧化物 ) 化学式 ZnO,是一种 无机化合物 ,由锌和 氧 组成。氧化锌是一种白色固体,密度为5.606 g/cm³, 熔点 为1975°C, 沸点 为2360°C,氧化锌具有 闪锌矿 结构,其中每个 锌离子 都被六个氧离子包围,而每个氧离子则被四个锌离子包围,总体呈现六方 晶体结构 。氧化锌是一种反磁性物质,即不会被磁化 。常用于制造橡胶、塑料、涂料和陶瓷等材料,以及电子产品和 太阳能 电池板 等领域。氧化锌还是一种重要的防晒剂,因为它能够吸收 紫外线 辐射 。氧化锌是一种相对安全的化合物 。
发现历史
人类很早便学会了使用氧化锌作涂料或外用医药,但人类发现氧化锌的历史已经很难追溯。罗马人早在公元前200年便学会用铜和含氧化锌的锌 矿石 反应制作 黄铜 。氧化锌在 竖炉 中化作锌蒸汽,滚进 烟道 发生反应 。19世纪,氧化锌最初被用作补强剂被掺入橡胶中,从一百 多年氧化锌在橡胶中的应用史来看,不存在 什么绝对的传统用量,而是随时间推移出现渐减的趋势。 这一方面跟用途不同有关,同时也反映了人们对氧化锌在 硫化 历程中机理的认识逐步加深 。
理化性质
物理性质
氧化锌,具有较高的 电导率 ,是一种直接带隙的宽禁带半导体(3.6eV),具有较大的 激子 束缚能(60meV),由于其晶格中存在填隙 锌离子 的本征缺陷因而表现出良好的n型半导特性 ,其电导率可以通过掺杂其他材料来调节 ,氧化锌具有常温发光、紫外吸收、生物杀菌、击穿电压及储锂容量高等优良特性 。氧化锌是一种不透明的材料,在 紫外线 区域有较高的 反射率 ,但是通过掺铝后,可以变成透明材料 。热膨胀系数比较低,因此在高温环境下具有较好的稳定性 。
化学性质
反应性:氧化锌在常温下相对稳定,但在高温下会与大多数 非金属元素 反应,产生相应的 氯化物 等化合物 。
酸碱性:氧化锌是一种 两性氧化物 ,可以与酸或碱反应生成盐和水 。
氧化性:氧化锌具有一定的氧化性,可以氧化一些易受氧化的物质 。
电解 :氧化锌可以被还原为金属锌,例如在电还原过程中 。
制备方法
工业法
间接法(法国法)
间接法,又称法国法(French Process),是用金属锌锭为原料生产氧化锌,熔锌温度为600一700℃,锌蒸发温度1250一1300℃ ,将锌蒸汽通入空气进行氧化,得到氧化锌 。
直接法
将 锌粉 或 锌合金 加热至高温(800~1000°C)下与空气或 氧气 反应,即可制得氧化锌 。
直接工艺涉及通过用煤(如无烟煤)加热来还原锌 矿石 ,然后在同一 反应器 中氧化锌蒸气,在一个生产周期中进行。该工艺由 美国 塞缪尔·韦瑟里尔 ( Samuel Wetherill) 开发,并在熔炉中进行,其中第一层由煤床组成,由先前装料的剩余热量点燃。在该床之上是第二层,其形式为与煤混合的锌矿石。鼓风从下方送入,以向两层输送热量并携带 一氧化碳 用于锌还原 。
化学法
将锌盐与碱性物质(如 氢氧化钠 、 碳酸钠 等)反应,即可制得氧化锌准备锌 盐溶液 。常用的锌盐有 氯化锌 、 硫酸锌 等。将氢氧化钠或 氨水 滴加到锌盐溶液中,使其达到碱性。这 一步反应 产生 氢氧化锌 沉淀。沉淀 沉淀物 ,并将其用水洗涤干净。通过高温 烘干 或其他方法将氢氧化锌转化为氧化锌。最后,通过不同的方法(如粉碎或压缩)将氧化锌制成所需的形状或颗粒大小。常用的化学法包括还有 碳酸氢铵 法、 硝酸盐 法等 。
实验室制法
水热法
将氢氧化锌悬浮液加入反应釜中,经过一定的水热反应后即可制得氧化锌。准备锌盐和水或其他 溶剂 。将锌盐和溶剂混合并加热至高温,使反应物在高温和高压的条件下发生反应,产生氧化锌 晶体 。
气相沉积法
在高温高压气氛下,将锌蒸发成蒸气,通过化学反应使其沉积在基底上,制备氧化锌薄膜等 。
溶胶凝胶法
通过将锌盐或其它化合物溶解于溶剂中,加入适当的 沉淀剂 ,生成氧化锌 溶胶 ,通过 凝胶 化反应制备出氧化锌 。
微乳液法
氧化锌也是通过在乳液体系中沉淀获得的,其中 乙酸锌 用作ZnO前驱体, 氢氧化钾 或 氢氧化钠 作为沉淀剂。作为有机相的 环己 和非离子 表面活性剂 混合物 也用于制备乳液。通过对ZnO沉淀过程进行修改,例如改变沉淀剂、基材组成和基材投加 速率 ,获得了一些有趣的ZnO颗粒结构 。
应用领域
橡胶工业
全球每年生产氧化锌约 10 5 吨,其中大部分被橡胶工业消耗,用于制造各种不同的交联橡胶产品。典型的纯 硅橡胶 的导热系数比较低;可以通过添加ZnO导热粉体,提高 硅橡胶 的导热性,同时保持其高 电阻 。即使在相对较低的填充含量下,纳米级填料的加入也能实现高导热性。然而,由于纳米粒子表面与聚合物之间的相互作用较弱,ZnO 纳米粒子倾向于聚集在一起,在聚合物 基体 中形成大尺寸的粒子,影响橡胶力学性能 。
纺织工业
防水和自清洁纺织品有前途用于军事应用和日常应用的商业领域,自清洁和防水纺织品有助于防止衣服上出现污渍,并且可以保护身体免受阳光中有害的 紫外线 部分的伤害,而且纳米结构的 ZnO 涂层 与其本体对应物相比更透气且作为紫外线 阻断剂 更有效 。
医药和化妆品工业
氧化锌用于牙科,主要用作牙膏的成分,也用于临时填充物,ZnO 还用于各种类型的营养产品和膳食补充剂,用于提供必需的膳食锌 。在 防晒霜 使用有 ZnO 纳米颗粒 ,它们含有粘稠的制剂,不易擦入皮肤并且在美容上没有吸引力。由于它们能够吸收 紫外光辐射,这些产品开始用于 面霜 。氧化锌还可以作为 糊剂 ,用于牙齿修复 。
催化工业
氧化锌在催化工业中可作为有机合成催化剂、脱硫剂,通过在催化剂表面发生的氧化或还原反应,在光强度以下产生电子- 空穴 对。在光催化剂存在的情况下,有机污染物可以通过光生空穴直接氧化,或通过与特征反应基团 (ROS) 反应间接氧化。常用的催化剂包括ZnO,可以在紫外光强度以下表现出光催化活性。ZnO 稳定性较差,对光腐蚀的敏感性较低。然而,氧化锌提供更好的稳定性,它提供更好的结晶度和更小的缺陷。通过添加其他组分可以进一步提高 ZnO 的光催化活性,并且可以扩展氧化锌的可见光谱范围 。
电子工业
氧化锌是一种重要的 新型半导体 ,在 电子 和电工领域有广泛的应用。其在室温下的宽能带 (3.37 eV) 和高 键能 (60 meV) 意味着氧化锌可用于光电和 电子设备 ,发射 表面声波 的器件、场发射器、 传感器 、 紫外激光器 和 太阳能电池 。
ZnO还表现出发光现象(主要是 光致发光 ——在暴露于 电磁辐射 下发光) 。氧化锌也用于 气体传感器 。氧化锌在电子产品中最重要的应用之一是生产 变阻器 。这些 电阻 具有非线性 电流 电压特性,当 电场 达到特定定义值时, 电流密度 会迅速增加。除其他用途外,它们还用作 避雷器 ,以保护高压线路,以及在电气设备中提供对大气和网络 电压浪涌 的保护。这些应用需要高致密性的材料,因为只有这样的材料才能保证由其制成的元件特性的稳定性和可重复性 。氧化锌纳米棒材料本身是非线性的,利用氧化锌的压电特性,可以设计识别弯曲半径和角度的非线性 压电传感器 。
其他应用
在建筑行业中,新型水泥会考虑添加 纳米氧化锌 ,纳米氧化锌有利于提高水泥基材料的 抗压强度 及防污性能 。纳米氧化锌在食品中的应用进展纳米氧化锌对常见细菌的杀灭效果已有较多报道,但是由于单独使用纳米氧化锌的效率较低,因此一些科研工作中将其他技术与纳米氧化锌结合使用,提高了对细菌的杀菌效率 。同时,锌也是生物必需 微量元素 ,在食品中,氧化锌作为锌的重要来源被应用于 食品添加剂 , 早餐谷物食品 以及饲料中 。
安全事宜
在使用氧化锌时,需要注意以下安全防范措施:
氧化锌本身无害,但是,接触皮肤时要避免直接接触,如必须接触,应穿戴适当的防护服和手套等防护装备 ,避免吸入氧化锌粉尘和气体,如必须吸入,应佩戴防护口罩 。
存放时要避免与酸类物质接触,以免发生化学反应,在操作过程中要保持通风良好,确保室内空气流通,避免氧化锌粉尘和气体积聚 。