Ứng dụng vật liệu ZnO, nano ZnO

Phần 1: TỔNG QUAN VỀ NANO ZnO

4. Ứng dụng vật liệu ZnO, nano ZnO

Các ứng dụng của bột oxit kẽm rất nhiều, và những ứng dụng chính được tóm tắt dưới đây. Hầu hết các ứng dụng khai thác khả năng phản ứng của oxit như một tiền chất của các

hợp chất kẽm khác. Đối với các ứng dụng khoa học vật liệu, oxit kẽm có chỉ số khúc xạ cao, tính dẫn nhiệt cao, liên kết, kháng khuẩn và chống tia cực tím. Do đó, nó được thêm vào các vật liệu và sản phẩm bao gồm nhựa, gốm sứ, thủy tinh, xi măng, cao su, chất bôi trơn, sơn, thuốc mỡ, chất kết dính, chất trám, sản xuất bê tông , bột màu, thực phẩm, pin, ferrites, chất chống cháy, v.v ...

Sản xuất cao su

Từ 50% đến 60% sử dụng ZnO là trong ngành cao su.

Oxit kẽm cùng với axit stearic được sử dụng trong quá

trình lưu hóa cao su. Phụ gia ZnO cũng bảo vệ cao su khỏi nấm (xem các ứng dụng y tế) và tia UV.

Ngành gốm sứ

Ngành công nghiệp gốm tiêu thụ một lượng đáng kể oxit kẽm, đặc biệt là trong các chế phẩm men gốm và frit. Khả năng nhiệt tương đối cao, độ dẫn nhiệt và độ ổn định nhiệt độ cao của ZnO cùng với hệ số giãn nở tương đối thấp là những đặc tính mong muốn trong sản xuất gốm sứ. ZnO ảnh hưởng đến điểm nóng chảy và tính chất quang học của men, men và công thức gốm. Kẽm oxit như là một sự giãn nở thấp, thông lượng thứ cấp cải thiện tính đàn hồi của men bằng cách giảm sự thay đổi độ nhớt như là một chức năng của nhiệt độ và giúp ngăn ngừa cơn sốt và run rẩy. Bằng cách thay thế ZnO cho BaO và PbO, công suất nhiệt giảm và độ dẫn nhiệt được tăng lên. Kẽm với số lượng nhỏ cải thiện sự phát triển của bề mặt bóng và rực rỡ. Tuy nhiên, với số lượng từ trung bình đến

cao, Nó tạo ra bề mặt mờ và tinh thể. Liên quan đến màu sắc, kẽm có ảnh hưởng phức tạp.

Y học

Oxit kẽm dưới dạng hỗn hợp với khoảng 0,5% oxit sắt (III) (Fe2O3) được gọi là calamine và được sử dụng trong kem

20

dưỡng da calamine. Hai khoáng

chất, kẽmite và hemimorphite , trong lịch sử được gọi là calamine . Khi trộn với eugenol , một phối tử , kẽm oxit eugenol được hình thành, có ứng dụng như một

chất phục hình và phục hình trong nha khoa.

Phản ánh các tính chất cơ bản của ZnO, các hạt oxit mịn có đặc tính khử mùi và kháng khuẩn và vì lý do đó được thêm vào các vật liệu bao gồm vải cotton, cao su, các sản phẩm chăm sóc răng miệng, và bao bì thực phẩm. Tác dụng kháng khuẩn tăng cường của các hạt mịn so với vật liệu khối không chỉ dành riêng cho ZnO và được quan sát thấy đối với các vật liệu khác, như bạc . Tính chất này là kết quả của diện tích bề mặt tăng của các hạt mịn.

Kẽm oxit được sử dụng rộng rãi để điều trị một loạt các tình trạng da, bao gồm viêm da, ngứa do chàm, hăm tã và mụn trứng cá.

Nó được sử dụng trong các sản phẩm như bột trẻ em và kem rào cản để điều trị chứng hăm

tã, kem calamine , dầu gội chống gàu và thuốc mỡ sát trùng. Nó cũng là một thành phần trong băng (được gọi là

"băng oxit kẽm") được các vận động viên sử dụng làm băng để ngăn ngừa tổn thương mô mềm trong quá trình tập luyện.

Kẽm oxit có thể được sử dụng trong thuốc mỡ, kem và kem để bảo vệ chống cháy nắng và các tổn thương khác cho da do tia cực tím (xem kem chống nắng ). Đây là UVA phổ rộng và UVB hấp thụ được chấp thuận để sử dụng như kem chống nắng của Mỹ Food and Drug Administration (FDA),và hoàn toàn photostable. Khi sử dụng như một thành phần trong kem chống nắng , khối oxit kẽm cả UVA (320-400 nm) và UVB (280-320 nm) tia của ánh sáng cực tím. Kẽm oxit và

các loại kem chống nắng vật lý phổ biến nhất khác , titan dioxide , được coi là không gây dị ứng, không dị ứng và

không gây mụn. Tuy nhiên, kẽm từ oxit kẽm được hấp thụ nhẹ vào da.

Nhiều loại kem chống nắng sử dụng các hạt nano oxit kẽm (cùng với các hạt nano titan dioxide) vì các hạt nhỏ như vậy không tán xạ ánh sáng và do đó không xuất hiện màu trắng. Đã có lo ngại rằng chúng có thể được hấp thụ vào da.

Một nghiên cứu được công bố năm 2010 cho thấy hàm lượng kẽm trong máu từ 0,23% đến 1,31% (trung bình 0,42%) trong các mẫu máu tĩnh mạch có thể được tìm thấy từ kẽm từ các hạt nano ZnO áp dụng cho da người trong 5 ngày và dấu vết là cũng được tìm thấy trong các mẫu nước tiểu. Ngược lại, một đánh giá toàn diện về tài liệu y khoa từ năm 2011 nói rằng không có bằng chứng nào về sự hấp thụ toàn thân có thể được tìm thấy trong tài liệu này.

Các hạt nano oxit kẽm có thể tăng cường hoạt động kháng khuẩn của ciprofloxacin. Người ta đã chứng minh rằng nano ZnO có kích thước trung bình trong khoảng từ 20nm đến 45nm có thể tăng cường hoạt động kháng khuẩn

của ciprofloxacin chốnglại Staphylococcusaureus và Escherichi acoli invitro. Hiệu quả tăng cường của vật liệu nano này là nồng độ phụ thuộc vào tất cả các chủng thử nghiệm. Hiệu ứng này có thể do hai lý do. Đầu tiên, các hạt nano oxit kẽm có thể can thiệp vào protein NorA, được phát triển để tạo ra sự đề kháng ở vi khuẩn và có hoạt động bơm làm trung gian cho dòng chảycủa fluoroquinolones ưa nước từ một tế bào. Thứ hai, các hạt nano oxit kẽm có thể can thiệp vào protein Omf,

22

chất chịu trách nhiệm cho sự thẩm thấu của kháng sinh quinolone vào trong tế bào.

Bộ lọc thuốc lá

Kẽm oxit là một thành phần của bộ lọc thuốc lá . Một bộ lọc bao gồm than được tẩm oxit kẽm và oxit sắt sẽ loại bỏ một lượng đáng kể hydro xyanua (HCN) và hydro sunfua (H2S) khỏi khói thuốc lá mà không ảnh hưởng đến hương vị của nó.

Phụ gia thực phẩm

Kẽm oxit được thêm vào nhiều sản phẩm thực phẩm, bao gồm ngũ cốc ăn sáng , như một nguồn kẽm, một chất dinh dưỡng cần thiết . ( Kẽm sulfat cũng được sử dụng cho cùng mục đích.) Một số thực phẩm đóng gói sẵn cũng bao gồm lượng ZnO ngay cả khi nó không được dùng làm chất dinh dưỡng.

Kẽm oxit có liên quan đến ô nhiễm điôxin trong xuất khẩu thịt lợn trong cuộc khủng hoảng thịt lợn Chile năm 2008. Sự ô nhiễm được tìm thấy là do oxit kẽm bị ô nhiễm điôxin được sử dụng trong thức ăn cho lợn.

Chất màu vô cơ

Kẽm trắng được sử dụng làm sắc tố trong sơn và mờ

hơn lithopore , nhưng ít đục hơn titan dioxide. Nó cũng được sử dụng trong lớp phủ cho giấy. Màu trắng Trung Quốc là một loại kẽm trắng đặc biệt được sử dụng trong các sắc tố của các nghệ sĩ. Việc sử dụng kẽm trắng (kẽm oxit) làm sắc tố trong tranh sơn dầu bắt đầu vào giữa thế kỷ 18. Nó đã thay thế một phần chì trắng độc và được sử dụng bởi các họa sĩ

như Bửcklin, Van Gogh, Manet, Munchvà những người khỏc. Nú cũng là một thành phần chính của trang điểm khoáng sản . Hấp thụ tia cực tím

Micronized và nano quy mô oxit kẽm và titan dioxit cung cấp bảo vệ mạnh mẽ chống lại tia UVA và UVB tia cực tím , và được sử dụng trong kem dưỡng da chống nắng, và cũng trong

UV-blocking kính mát để sử dụng trong không gian và bảo vệ khi hàn , sau nghiên cứu của các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực (JPL).

Sơn

Sơn có chứa bột oxit kẽm từ lâu đã được sử dụng làm lớp phủ chống ăn mòn cho kim loại. Chúng đặc biệt hiệu quả đối với sắt mạ kẽm. Sắt rất khó bảo vệ vì khả năng phản ứng của nó với lớp phủ hữu cơ dẫn đến độ giòn và thiếu độ bám

dính. Sơn oxit kẽm giữ được tính linh hoạt và tuân thủ của chúng trên các bề mặt như vậy trong nhiều năm.

ZnO pha tạp loại n cao với nhôm, gali hoặc indi là trong suốt và dẫn điện ( độ trong suốt ~ 90%, điện trở suất thấp nhất ~ 10−4 ã cm ). ZnO: Lớp phủ Al được sử dụng cho cỏc cửa sổ tiết kiệm năng lượng hoặc bảo vệ nhiệt. Lớp phủ cho phép phần quang phổ nhìn thấy nhưng phản xạ bức xạ hồng ngoại (IR) trở lại phòng (tiết kiệm năng lượng) hoặc không để bức xạ hồng ngoại vào phòng (bảo vệ nhiệt), tùy thuộc vào phía nào của cửa sổ lớp phủ.

Nhựa, chẳng hạn như polyetylen naphthalate (PEN), có thể được bảo vệ bằng cách áp dụng lớp phủ oxit kẽm. Lớp phủ làm giảm sự khuếch tán oxy với PEN. Các lớp oxit kẽm cũng có thể được sử dụng trên polycarbonate trong các ứng dụng

ngoài trời. Lớp phủ bảo vệ polycarbonate khỏi bức xạ mặt trời, và giảm tốc độ oxy hóa và màu vàng ảnh.

Phòng chống ăn mòn trong lò phản ứng hạt nhân

Kẽm oxit đã cạn kiệt trong Zn ( đồng vị kẽm có khối lượng nguyên tử 64) được sử dụng trong phòng chống ăn mòn trong các lò phản ứng nước áp lực hạt nhân. Sự suy giảm là cần thiết, bởi vì Zn được chuyển thành Zn phóng xạ dưới sự chiếu xạ của các neutron của lò phản ứng.

Loại bỏ khí lưu huỳnh giai đoạn khí hóa than 24

Kẽm oxit (ZnO) được sử dụng như một bước tiền xử lý để loại bỏ hydro sunfua (H2S) khỏi khí tự nhiên sau quá trình hydro hóa bất kỳ hợp chất lưu huỳnh nào trước khi chuyển hóa metan, có thể gây độc cho chất xúc tác. Ở nhiệt độ khoảng 230 - 430°C H2S được chuyển thành nước theo phản ứng sau:

H2S + ZnO → H2O + ZnS

Các sulfide kẽm (ZnS) được thay thế bằng oxit kẽm tươi khi oxit kẽm đã được tiêu thụ.

*Ứng dụng cho các ngành công nghệ cao sử dụng nano ZnO*

Điện tử

ZnO có khoảng cách băng trực tiếp rộng (3,37 eV hoặc 375nm ở nhiệt độ phòng). Do đó, các ứng dụng tiềm năng phổ biến nhất của nó là trong điốt laser và điốt phát sáng (LED).

Một số ứng dụng quang điện tử của ZnO trùng lặp với ứng dụng GaN , có dải băng tương tự (~ 3,4 eV ở nhiệt độ

phòng). So với GaN, ZnO có năng lượng liên kết exciton lớn hơn (~ 60 meV, gấp 2,4 lần năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng), dẫn đến phát xạ nhiệt độ phòng từ ZnO. ZnO có thể được kết hợp với GaN cho các ứng dụng LED. Ví dụ như lớp oxit dẫn trong suốt và cấu trúc nano ZnO cung cấp khả năng thu ánh sáng tốt hơn. Các đặc tính khác của ZnO thuận lợi cho các ứng dụng điện tử bao gồm tính ổn định của nó đối với bức xạ năng lượng cao và khả năng của nó được mô hình hóa bằng phương pháp khắc hóa học ướt. Khả năng chống bức xạ làm cho ZnO trở thành ứng cử viên phù hợp cho các ứng dụng không gian. ZnO là ứng cử viên triển vọng nhất trong lĩnh vực laser ngẫu nhiên để tạo ra nguồn laser UV được bơm điện tử.

Các đầu nhọn của nanorod ZnO dẫn đến sự tăng cường mạnh mẽ của điện trường. Do đó, chúng có thể được sử dụng như các trình phát trường.

Các lớp ZnO pha tạp nhôm được sử dụng làm điện

cực trong suốt . Các thành phần Zn và Al rẻ hơn và ít độc hơn so với oxit thiếc indi (ITO) thường được sử dụng . Một ứng dụng đã bắt đầu có sẵn trên thị trường là sử dụng ZnO làm tiếp xúc trước cho pin mặt trời hoặc màn hình tinh thể lỏng .

Các bóng bán dẫn màng mỏng trong suốt (TTFT) có thể được sản xuất với ZnO. Là các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, thậm chí chúng có thể không cần có lớp p-n ,do đó tránh được vấn đề pha tạp loại p của ZnO. Một số bóng bán dẫn hiệu ứng trường thậm chí sử dụng các thanh nano ZnO làm kênh dẫn.

Cảm biến nano ZnO

Cảm biến nano oxit kẽm là thiết bị phát hiện sự thay đổi dòng điện đi qua dây nano oxit kẽm do sự hấp phụ của các phân tử khí. Tính chọn lọc đối với khí hydro đã đạt được bằng cách phun các cụm Pd trên bề mặt nanorod. Việc bổ sung Pd dường như có hiệu quả trong sự phân ly xúc tác của các phân tử hydro thành hydro nguyên tử, làm tăng độ nhạy của thiết bị cảm biến. Cảm biến phát hiện nồng độ hydro xuống tới 10 phần triệu ở nhiệt độ phòng, trong khi không có phản ứng với oxy.

Điện tử học

ZnO cũng đã được xem xét cho các ứng dụng điện

tử học : nếu pha tạp 1-10% các ion từ tính (Mn, Fe, Co, V, v.v.), ZnO có thể trở thành sắt từ , ngay cả ở nhiệt độ phòng. Hiện tượng sắt từ nhiệt độ phòng như vậy trong ZnO: Mn đã được quan sát, nhưng vẫn chưa rõ liệu nó bắt nguồn từ chính ma trận hay từ các pha oxit thứ cấp.

Áp điện

26

Tính áp điện trong sợi dệt được bọc trong ZnO đã được chứng minh có khả năng chế tạo "các hệ thống nano tự cấp nguồn"

với áp lực cơ học hàng ngày từ gió hoặc chuyển động cơ thể.

Năm 2008, Trung tâm Đặc tính cấu trúc nano tại Viện Công nghệ Georgia đã báo cáo sản xuất một thiết bị tạo ra điện (được gọi là máy phát điện bơm linh hoạt) cung cấp dòng điện xoay chiều bằng cách kéo dài và giải phóng các dây nano oxit kẽm. Máy phát điện mini này tạo ra một điện áp dao động lên tới 45 millivolt, chuyển đổi gần bảy phần trăm năng lượng cơ học ứng dụng thành điện năng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng dây có chiều dài 0,2 hay 0,3 mm và đường kính từ ba đến năm micromet, nhưng thiết bị có thể được thu nhỏ xuống kích thước nhỏ hơn.

Pin Li-ion

ZnO là một vật liệu anode đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion vì nó rẻ, tương thích sinh học và thân thiện với môi trường. ZnO có dung lượng lý thuyết cao hơn (980 mAh g−1 ) so với nhiều oxit kim loại chuyển tiếp khác như CoO (715 mAh g-1 ), NiO (718 mAh g-1 ) và CuO (674 mAh g-1 ).

Phần 2: THỰC NGHIỆM