ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЦИНКА

АННОТАЦИЯ

Порошок оксида цинка традиционно используется в качестве белого пигмента и добавки к каучуку. Несмотря на то, что он в значительной степени вытеснен в качестве пигмента в красках, его использование в резине остается очень важным. Однако множество других практических применений ZnO иногда упускаются из виду, а обзоры в недавней научной литературе склонны подчеркивать высокотехнологичные применения, которые еще не имеют коммерческой реальности.

Аналогичным образом, хотя некоторые мелкосерийные процессы, используемые для производства наноструктур ZnO, хорошо освещены в литературе, гораздо меньше сообщается о тоннажных процессах химической технологии, с помощью которых на самом деле производится большая часть ZnO. Множество процессов, с помощью которых можно получить ZnO, являются потенциальным источником путаницы, однако используемый процесс оказывает большое влияние на свойства оксида и, следовательно, на его пригодность для различного применения. В настоящей статье авторами предоставлен современный обзор и анализ производства ZnO, его свойств, применения и перспектив на будущее.

ABSTRACT

Zinc oxide powder has traditionally been used as a white pigment and additive to rubber. Although it has largely been superseded as a pigment in paints, its use in rubber remains very important. However, the many other practical applications of ZnO are sometimes overlooked, and reviews in the recent scientific literature tend to emphasize high-tech applications that do not yet have commercial reality.

Similarly, while some of the small-scale processes used to produce ZnO nanostructures are well covered in the literature, much less is reported on the tonnage chemical engineering processes by which most ZnO is actually produced. The multitude of processes by which ZnO can be produced is a potential source of confusion, but the process used has a major impact on the properties of the oxide and hence its suitability for various applications. In this article, the authors provide an up-to-date review and analysis of ZnO production, its properties, applications, and future prospects.

Ключевые слова: oксид цинка, пигменты, резиновые добавки, нанофазные материалы.

Keywords: Zinc oxide, pigments, rubber additives, Nanophase materials.

Введение

Оксид цинка имеет широкий спектр применения, например, в пигментах, резиновых добавках, газовых датчиках, варисторах и преобразователях [14]. Было сообщено о нескольких исследованиях по изготовлению смешанных оксидов металлов, содержащих ZnO. Исследования проводились с целью точной настройки свойств ZnO для специальных применений. Недавно было продемонстрировано, что нанофазный оксид цинка может использоваться в фотоэлементах типа Гретцеля[15], что приводит к повышению эффективности генерации тока. Оксид цинка с размером частиц в диапазоне 100–200 нм оказался превосходным материалом, поглощающим УФ-излучение, и его можно использовать в солнцезащитных лосьонах для повышения фактора защиты от солнца [3]. Чистый оксид цинка является изолятором, и улучшение его проводимости увеличивает срок его службы для использования множества новых приложений. Оксид цинка с повышенной проводимостью подходит для применения, где необходимо предотвратить накопление статического заряда.

Электропроводность может быть значительно увеличена за счет легирования или введения дефектов в кристаллическую решетку ZnO, что может увеличить для полупроводников электропроводность до высокого уровня [1]. В обычной порошковой металлургии использование ультрадисперсного порошка оксида цинка имеет значительные преимущества; например, это снижает температуру спекания. Кроме того, меньший размер зерна приводит к повышенной плотности спеченных материалов. Нанофазные материалы были получены с использованием физических методов, например, газового испарения [7]. Химические методы показали несколько явных преимуществ для синтеза нанофазных частиц [12]. Сообщалось о нескольких химических методах производства оксида цинка и смешанных оксидов металлов, например, приготовление тонкодисперсного оксида цинка с помощью распылительного пиролиза [10] золь-гель-метода и термического разложения [5; 11; 18; 19]. Сообщалось также о синтезе оксида цинка из органических растворов, например, осаждение спиртов и аминов [6; 9; 13].

Особенно важны рассматриваемые нами процессы, когда осаждение происходит в растворе, где частицы имеют свободный доступ друг к другу. Чтобы свести к минимуму или исключить этот доступ, реакция осаждения должна происходить в замкнутых, отделенных друг от друга зонах, а не в объеме раствора. Можно приготовить микроэмульсию, содержащую водные капли в качестве дисперсной фазы, отделенной друг от друга непрерывной органической фазой. В такой системе можно осуществлять осаждение в замкнутых каплях воды. В микроэмульсионной системе степень роста частиц снижается, поскольку осаждение происходит в изотропном растворе микрокапель (10–100 нм в диаметр), окруженных сплошной фазой. Таким образом, рост частиц из-за взаимодействия между различными водными растворами может быть ингибирован, в результате чего образуются частицы очень маленького размера [2; 17].

Получите оксид цинка

Синтез прекурсоров ZnO осуществлялся методом химического осаждения. Растворы ZnCl₂ и NH₂CO₂NH₄ одновременно смешивались при перемешивании до полного осаждения; в ходе реакции из раствора выделялся газ. Растворы фильтровались, а полученные твердые частицы промывались дистиллированной водой несколько раз до тех пор, пока в отфильтрованной воде не переставали обнаруживаться хлориды. Затем осадки высушивались при 105 ^oC в печи в течение ночи.

Схема получения оксида цинка

Принципиальная схема системы синтез инжекции потока представлена на рисунке 1. Растворы хлорида цинка и карбамата аммония закачиваются из отдельных ёмкостей в систему через заданные промежутки времени. Это приводит к тому, что текущий поток регулярно сегментируется растворами A и B. Несущие потоки 1 и 2 прокачиваются с одинаковой скоростью по линиям x и y через трубы одинаковой длины. С помощью двухинжекционных клапанов растворы, содержащие разные реагенты А и Б, вводятся в полости ротора, длина и внутренний диаметр которого определяют объем раствора. В положении ввода реагента поток носителя перекрывается через байпас. После поворота ротора в положение впрыска определенный объем содержащего реагент раствора уносится потоком носителя в систему, поскольку байпас имеет более высокое гидродинамическое сопротивление потоку, чем путь раствора.

Рисунок 1. Схематическое представление системы синтез инжекции потока, используемой в настоящее исследование

Полученный результат

Ионы цинка существенно гидролизуются из-за способности иона Zn²⁺ увеличивать свое координационное число выше четырех с образованием различных частиц, таких как [Zn(OH)(H₂O)_x]⁺ и [Zn₂(OH)(H₂O)_x]³⁺ и ряд основных гидроксосолей, таких как ZnCO₃⸱2Zn(OH)₂⸱H₂O, которые могут быть осаждены [2]. Полиядерные гидроксикарбонатные разновидности, такие как Zn₅(OH)₆(CO₃)₂ также могут быть осаждёны из ионов цинка в растворе при умеренных концентрациях Zn²⁺, pH и концентрации карбонатов. Сообщается, что Zn₅(OH)₆(CO₃)₂ является стабильной фазой в присутствии атмосферного CO₂ (г) [4; 16]. Расчеты равновесия были использованы для изучения различных условий образования осадков и комплексов. Реакция цинка и карбамата может привести к образованию различных соединений цинка.

Реакция ионов цинка и карбамата аммония происходит по уравнению.

Образующийся твердый осадок при прокаливании разлагается до ZnO

В ходе авторских исследований был проведен ряд экспериментов: влияние изменения концентрации карбамата аммиака, проект риада научных разработок по формированию осадка предшественника оксида цинка.

Заключение

Оксид цинка на протяжении веков был важным промышленным материалом и сейчас вызывает большой интерес. Он обладает комбинацией физических свойств (например, относительно высокой электро- и теплопроводностью, оптическим поглощением в ультрафиолетовом свете и очень высокой температурной стабильностью), химических свойств (например, стабильностью при нейтральном pH и мягкой антимикробной активностью) и очень широкого диапазона сетью с технико-экономическими атрибутами (такими как доступность и разумная цена), которые обеспечивают доступ.

Хотя ZnO использовался в косметических и медицинских целях на протяжении тысячелетий, в последнее время началась кампания за активное его использование. Некоторые применения (их использование в фотокопировании) появились, а затем весьма резко исчезли спустя десятилетия.

Тем не менее, мы считаем, что сочетание выгодных физических и экономических свойств данного материала гарантирует, что он и в дальнейшем будет рассматриваться в качестве впечатляющего разнообразия текущего и будущего практического применения.

Список литературы:

1. Давлатов Ф.Ф.,  Махмаёров Ж.Б., Рахимкулов Ш.Р. Химический, минералогический и фракционный составы цинкосодержащего сырья месторождения  Хандиза //  Universum: технические науки. – 2024.– № 2 (19). – С. 26–31.
2. Ayyub P. New techniques for the preparation of nanophase particles // Indian Journal of Pure & Applied Physics. – 1994. – Pp. 611–615.
3. Brown H. E. Zinc oxide, International Lead Zinc Research Organization. – Inc., New York, NY. – 1976.
4. Carey F.A., Sundberg R.J.  Conformational and other steric effects // Advanced Organic Chemistry: Part A: Structure and Mechanisms. – 1977. – Pp. 71-123.
5. Chiou B.S., Tsai Y.J., Duh J.G. Thermal evolution in synthesized ZnO varistors by the urea process // Journal of materials science letters. – 1988. – Pp. 785–786.
6. Costa M. E. V., Baptista J. L. Characteristics of zinc oxide powders precipitated in the presence of alcohols and amines // Journal of the European Ceramic Society. – 1993. – Pp. 275–281.
7. El-Shall M.S., Graiver D., Pernisz U., Baraton M.I. Synthesis and characterization of nanoscale zinc oxide particles: I. laser vaporization condensation technique  //  Nanostructured Materials. – 1995. – Vol.  6(1–4). – Pp. 297–300. doi:10.1016/0965-9773(95)00056-9.
8. Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. – Elsevier, 2012.
9. Hoyle R.W., Gao G.X., Wu H.B., Ding S.J., Lou X.W. Characterization of cobalt–zinc hydroxycarbonates and their products of decomposition // Journal of Materials Chemistry. – 1997. Vol. 7. – Pp. 319–330.
10. Liu T. Q., Sakurai O., Mizutani N. Preparation of spherical fine ZnO particles by the spray pyrolysis method using ultrasonic atomization techniques //Journal of Materials science. – 1986. – Vol. 21. – Pp. 3698–3702. https://doi.org/10.1007/BF00553822
11. Meulenkamp E.A. Synthesis and growth of ZnO nanoparticles // The journal of physical chemistry B. – 1998. – Pp. 5566–5572.
12. Muhammed M. Chemical methods for the synthesis of nanophase materials // Analusis. – 1996. – P. 24.
13. Packter A., Derry A. The coprecipitation of zinc aluminium hydroxide powders from aqueous solution with sodium hydroxide: precipitate compositions and coprecipitation mechanisms // Crystal Research and Technology. – 1986. – Pp. 1281–1286.
14. Perl A. Annual minerals review // American Ceramic Society Bulletin. – 1997. – Vol. 76. – P. 140.
15. Rensmo H., Keis K., Lindstrom H.  High light-to-energy conversion efficiencies for solar cells based on nanostructured ZnO electrodes // The Journal of Physical Chemistry B. – 1997. – Vol. 101. – Pp. 2598–2601.  DOI : http://dx.doi.org/10.1021/jp962918b
16. Schindler P., Reinert M., Gamsjäger H. Zur thermodynamik der metallcarbonate. Mitteilung. Löslichkeitskonstanten und freie bildungsenthalpien von ZnCO₃ und Zn₅ (OH) ₆ (CO₃) ₂ bei 25° // Helvetica Chimica Acta. – 1969. – Pp. 2327–2332.
17. Wang L., Zhang Y., Muhammed M. Synthesis of nanophase oxalate precursors of YBaCuO superconductor by coprecipitation in microemulsions // Journal of Materials Chemistry. – 1995. – Pp. 309–314.
18. Westin G. Nygren M. Preparation of ZnO-based varistors by the sol–gel technique // Journal of Materials Chemistry. – 1994. – Pp. 615–621.
19. Westin G., Nygren M. On the formation of M 2+-Sb 3+-alkoxide precursors and sol-gel processing of M-Sb oxides with M= Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn //Journal of materials science. – 1992. – Pp. 1617–1625.