El fotocatalizador de óxido de zinc divide el agua

Óxido de zinc en polvo El óxido de zinc (ZnO), comúnmente conocido como blanco de zinc, es un óxido de zinc. Insoluble en agua, soluble en ácido y álcali fuerte. El óxido de zinc es un aditivo químico de uso común que se usa ampliamente en la producción de plásticos, productos de silicato, caucho sintético, lubricantes, pinturas, ungüentos, adhesivos, alimentos, baterías, retardantes de llama y otros productos. El óxido de zinc tiene una gran banda prohibida de energía y energía de unión de excitones, alta transparencia y excelentes propiedades de luminiscencia a temperatura ambiente. Se utiliza en pantallas de cristal líquido, transistores de película delgada, diodos emisores de luz y otros productos en el campo de los semiconductores. Además, las micropartículas de óxido de zinc como nanomaterial también han comenzado a desempeñar un papel en campos relacionados.

Constantes físicas y químicas

Número CAS: 1314-13-2 Fórmula química: ZnO Peso molecular: 81,37 Aspecto: sólido blanco Densidad relativa: 5,606 Punto de fusión: 1975 °C (descomposición ) Punto de ebullición: 2360 °C Solubilidad en agua: 0,16 mg/100 ml (30 °C) Banda prohibida de energía: 3,3 eV Entalpía molar estándar de formación: -348,0 kJ/mol Entropía molar estándar: 43,9 J/(K·mol) Número MSDS: ICSC 0208 Clasificación UE: Nocivo para el medio ambiente (N) Palabras estándar para propiedades de advertencia: R50/53 (altamente tóxico para la vida acuática, puede provocar efectos adversos a largo plazo en el medio ambiente acuático) Palabras estándar para recomendaciones de seguridad: S60 (las sustancias y contenedores deben colocarse como residuos peligrosos), S61 (evitar su vertido al medio ambiente) Punto de inflamación: 1436 °C

[Editar este párrafo] Propiedades químicas

Óxido de zinc principalmente Existe en forma de polvo blanco o mineral de zinc rojo. La pequeña cantidad de manganeso y otras impurezas contenidas en el mineral de zinc rojo hacen que el mineral parezca amarillo o rojo. Cuando se calienta el cristal de óxido de zinc, se escapará una pequeña cantidad de átomos de oxígeno (el 0,007% del total de átomos de oxígeno se escapará a 800 °C), lo que hará que el material parezca amarillo. Cuando la temperatura baja, el cristal vuelve a ser blanco. Cuando la temperatura alcanza los 1975 °C, el óxido de zinc se descompone para producir vapor de zinc y oxígeno. El carbono elemental se puede utilizar para la reducción del zinc en óxido de zinc, y la reacción ocurre en condiciones de alta temperatura: · ZnO + C → Zn + CO El óxido de zinc es un óxido anfótero, insoluble en agua o etanol, pero soluble en la mayoría de los ácidos. Por ejemplo, ácido clorhídrico: · ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O Al mismo tiempo, puede reaccionar con una base fuerte para formar zincato soluble, como al reaccionar con hidróxido de sodio: · ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH) )4] Óxido de zinc en ácidos grasos Pueden ocurrir reacciones lentas para formar los carboxilatos correspondientes, como oleato y estearato. El óxido de zinc puede reaccionar con el sulfuro de hidrógeno. En la producción industrial, esta reacción se utiliza a menudo para eliminar el sulfuro de hidrógeno de los gases mezclados: · ZnO + H2S → ZnS + H2O Cuando el óxido de zinc se mezcla con una solución acuosa concentrada de cloruro de zinc, se genera cloruro de zinc básico. Tiene propiedades endurecedoras similares al cemento y se utiliza a menudo en procedimientos dentales. El tetrahidrato de fosfato de zinc (Zn3(PO4)2·4H2O) producido por la reacción de óxido de zinc y ácido fosfórico también tiene las mismas propiedades. El óxido de zinc reaccionará violentamente cuando entre en contacto con polvo de magnesio, polvo de aluminio, caucho clorado y aceite de linaza, lo que generará riesgo de incendio o explosión. Los ungüentos que contienen óxido de zinc pueden producir peróxido de hidrógeno cuando se mezclan con agua y se exponen a la luz ultravioleta.

[Editar este párrafo] Propiedades físicas

Estructura cristalina

Hay dos estructuras cristalinas del óxido de zinc. Los cristales de óxido de zinc tienen tres estructuras: estructura hexagonal de wurtzita, Estructura de esfalerita cúbica y la rara estructura octaédrica de cloruro de sodio. La estructura de wurtzita es la más estable de las tres y, por tanto, la más común. La estructura cúbica de la esfalerita se obtiene mediante la formación gradual de óxido de zinc en la superficie. En ambos cristales, cada átomo de zinc u oxígeno forma una estructura tetraédrica regular con los átomos vecinos centrados en ella. La estructura octaédrica sólo se ha observado en condiciones de alta presión de 10 mil millones de pascales. La estructura de wurtzita y la estructura de esfalerita tienen simetría central, pero no tienen simetría axial. La naturaleza simétrica del cristal permite que la estructura de wurtzita tenga efectos piezoeléctricos y efectos de punto focal, y que la estructura de blenda de zinc tenga efectos piezoeléctricos. El grupo puntual de la estructura de wurtzita es de 6 mm (en notación internacional) y el grupo espacial es P63mc.

Entre las constantes de la red, a = 3,25 Angstroms, c = 5,2 Angstroms; la relación c/a es aproximadamente 1,60, que se acerca a la relación hexagonal ideal de 1,633. En los materiales semiconductores, el zinc y el oxígeno están unidos principalmente mediante enlaces iónicos, lo que es una de las razones de su elevada piezoelectricidad.

Propiedades mecánicas

El óxido de zinc tiene una dureza de aproximadamente 4,5 y es un material relativamente blando. La constante elástica del óxido de zinc es menor que la de los materiales semiconductores III-V como el nitruro de galio. El óxido de zinc tiene buena estabilidad térmica y conductividad térmica, alto punto de ebullición y bajo coeficiente de expansión térmica, lo que lo hace útil en el campo de los materiales cerámicos. Entre varios materiales semiconductores con estructuras tetraédricas, el óxido de zinc tiene el tensor piezoeléctrico más alto. Esta propiedad convierte al óxido de zinc en uno de los materiales importantes para el acoplamiento mecánico y eléctrico.

Propiedades eléctricas

A temperatura ambiente, la banda prohibida de energía del óxido de zinc es de aproximadamente 3,3 eV. Por lo tanto, el óxido de zinc puro es incoloro y transparente. La banda prohibida de alta energía aporta al óxido de zinc las ventajas de un alto voltaje de ruptura, una gran capacidad para mantener campos eléctricos, un bajo ruido electrónico y una alta tolerancia a la potencia. El óxido de zinc mezclado con una cierta proporción de óxido de magnesio u óxido de cadmio hará que la banda prohibida de energía cambie entre 3 y 4 eV. Incluso sin la incorporación de otras sustancias, el óxido de zinc tiene las características de un semiconductor de tipo N. Alguna vez se pensó que las características de los semiconductores de tipo N estaban relacionadas con la asimetría de los átomos compuestos, pero el estudio del óxido de zinc puro se convirtió en un contraejemplo. Sus propiedades semiconductoras de tipo N se pueden ajustar utilizando elementos principales del grupo III, como aluminio, galio e indio, o halógenos como cloro y yodo. Es difícil convertir el óxido de zinc en un semiconductor tipo P. Los aditivos disponibles incluyen elementos de metales alcalinos como litio, sodio y potasio, elementos del Grupo V como nitrógeno, fósforo y arsénico, y metales como cobre y plata, pero todos deben ser eficaces en condiciones especiales.

[Editar este párrafo] Vía de preparación

El óxido de zinc existe en el mineral de zinc rojo natural, pero su pureza no es alta. El óxido de zinc utilizado en la producción industrial generalmente se obtiene quemando zinc o tostando esfalerita. La producción anual mundial de óxido de zinc es de aproximadamente 10 millones de toneladas [1] y existen varios métodos de producción.

Método indirecto

La materia prima del método indirecto son lingotes metálicos de zinc o escorias de zinc obtenidos mediante fundición. El zinc se convierte en vapor de zinc en el crisol de grafito a una temperatura alta de 1000 °C. Luego, el aire soplado lo oxida para formar óxido de zinc y las partículas de óxido de zinc se recogen después del tubo de enfriamiento. El método indirecto fue popularizado por el científico francés LeClaire en 1844, por lo que también se le llama método francés. La tecnología del proceso para producir óxido de zinc mediante el método indirecto es simple y el costo se ve afectado en gran medida por las materias primas. El diámetro de las partículas de óxido de zinc producidas por el método indirecto es de aproximadamente 0,1 a 10 micrones y la pureza está entre 99,5% y 99,7%. En términos de producción total, el método indirecto es el método más importante para producir óxido de zinc. El óxido de zinc producido por el método indirecto se puede utilizar en la industria del caucho, varistores, pinturas y otras industrias. El contenido de metales pesados ​​de los lingotes de zinc o la escoria de zinc afecta directamente el contenido de impurezas de metales pesados ​​del producto. Los productos con bajo contenido de metales pesados ​​también se pueden utilizar en alimentos para ganado, productos farmacéuticos, atención médica y otras industrias.

Método directo

El método directo utiliza diversos minerales o desechos que contienen zinc como materia prima. Cuando el óxido de zinc reacciona con el calentamiento del coque, se reduce a zinc metálico y se vaporiza, y el oxígeno del aire lo oxida a óxido de zinc para eliminar la mayoría de las impurezas. Las partículas de óxido de zinc obtenidas por el método directo son gruesas y la pureza del producto está entre el 75% y el 95%. Generalmente se utiliza en las industrias del caucho y la cerámica con requisitos más bajos.

Método químico húmedo

El método químico húmedo se puede dividir aproximadamente en dos categorías: método ácido y método de amoníaco. Ambos utilizan ácido o álcali para reaccionar con las materias primas respectivamente y luego preparan la precipitación de carbonato de zinc o hidróxido de zinc. Después de la filtración, lavado, secado y calcinación a 800°C, finalmente se obtiene óxido de zinc ligero de alta pureza con un tamaño de partícula de 1 a 100 nanómetros. El método ácido suele hacer reaccionar materias primas que contienen zinc con ácido sulfúrico para obtener una solución impura de sulfato de zinc que contiene iones de metales pesados. Luego, mediante oxidación, reducción y múltiples precipitaciones, se elimina una gran cantidad de iones de hierro, manganeso, cobre, plomo, cadmio, arsénico y otros para obtener una solución pura de sulfato de zinc. Esta solución se neutraliza con carbonato de sodio para obtener carbonato de zinc básico sólido. El carbonato de zinc básico se lava, se seca y se calcina para obtener óxido de zinc ligero. Los productos elaborados por el método ácido son de mayor calidad. El método de amoníaco generalmente utiliza agua con amoníaco y bicarbonato de amonio para reaccionar con materias primas que contienen zinc para obtener un complejo de amoníaco y zinc, y luego elimina las impurezas para obtener una solución de complejo de amoníaco y zinc calificada, y luego evapora el amoníaco para convertir el complejo de amoníaco y zinc en un forma básica. carbonato de zinc. Finalmente, tras secar y calcinar, se obtiene óxido de zinc ligero. El costo del proceso de amoníaco es relativamente bajo.

Método de síntesis hidrotermal

El método de síntesis hidrotermal se refiere al calentamiento de la solución acuosa del sistema de reacción hasta la temperatura crítica en un reactor cerrado (autoclave), creando así un ambiente de alta presión. y Un método de producción para síntesis inorgánica. El óxido de zinc obtenido por este método tiene un radio de grano pequeño y una cristalización intacta. Combinando el método hidrotermal con la tecnología de plantillas, se pueden obtener polvos de nanoóxido de zinc de diferentes formas y tamaños. Actualmente, este método se encuentra solo en la etapa experimental y todavía existen problemas con equipos de proceso complejos y alto costo, pero también se considera un método con gran potencial para la industrialización.

Método de pirólisis por pulverización

El método de pirólisis por pulverización consiste en pulverizar una solución de sal metálica en una atmósfera de alta temperatura en forma de niebla y obtenerla directamente mediante la evaporación del disolvente y descomposición térmica posterior de la sal metálica en polvo de nanoóxido o un método de producción en el que la solución se pulveriza en una atmósfera de alta temperatura para que se seque y luego se trata térmicamente para formar un polvo. El nanopolvo preparado mediante este método tiene alta pureza, buena dispersión, distribución uniforme del tamaño de partículas, buena actividad química, operación de proceso simple, fácil control y bajo costo de equipo. Es la preparación de polvo de óxido de zinc a nanoescala con mayor potencial de industrialización. de los métodos.

[Editar este párrafo] Campos de aplicación

Fabricación de caucho

El 50% del óxido de zinc producido en la industria se destina a la industria del caucho. El óxido de zinc y el ácido esteárico son reactivos importantes para la vulcanización del caucho y son una de las materias primas para la fabricación del caucho. La mezcla de óxido de zinc y ácido esteárico refuerza la dureza del caucho. El óxido de zinc también es un aditivo importante en los neumáticos de automóviles. Además de la vulcanización, el óxido de zinc puede mejorar en gran medida la conductividad térmica del caucho, ayudando así a disipar el calor de los neumáticos y garantizando la seguridad en la conducción. El aditivo de óxido de zinc también evita que el moho o los rayos UV ataquen el caucho.

Industria del silicato

El óxido de zinc es un aditivo del cemento que puede acortar el tiempo de endurecimiento del cemento y mejorar el rendimiento impermeable del cemento. En la producción de vidrio y cerámica, el óxido de zinc se puede utilizar como fundente para reducir la temperatura de sinterización del vidrio y la cerámica. El óxido de zinc al que se le añade aluminio, galio y nitrógeno tiene una transparencia del 90% y se puede utilizar como revestimiento de vidrio para permitir el paso de la luz visible mientras refleja los rayos infrarrojos. Los recubrimientos se pueden aplicar en el interior o exterior del vidrio de la ventana para proporcionar aislamiento o aislamiento.

Médico y Salud

El óxido de zinc tiene funciones desodorizantes y antibacterianas, por lo que suele añadirse a tejidos de algodón, caucho, envases de alimentos, etc. El óxido de zinc añadido a los alimentos no sólo tiene cierto efecto antiséptico, sino que también puede utilizarse como fuente de zinc para complementar el elemento de zinc necesario para el cuerpo humano. El óxido de zinc se puede utilizar para mejorar la salud de la piel en productos como talco para bebés, ungüentos para la dermatitis del pañal, ungüentos de zinc, champús anticaspa y antisépticos. El óxido de zinc mezclado con aproximadamente un 0,5% de óxido de hierro se llama calamina y la loción de calamina se usa para tratar enfermedades cutáneas con picazón aguda. Algunas vendas deportivas también se mezclan con óxido de zinc para evitar que los deportistas sufran lesiones en los tejidos blandos durante el ejercicio. El óxido de zinc tiene una capacidad particularmente fuerte para absorber la luz ultravioleta con una longitud de onda de 280 a 400 nm, por lo que a menudo se usa en varios productos de protección solar para prevenir quemaduras solares y otras enfermedades de la piel causadas por los rayos ultravioleta. El cemento de óxido de zinc con aceite de clavo a base de óxido de zinc se puede usar como material de relleno o material de sellado de cavidades, y el óxido de zinc se usa a menudo como abreviatura de cemento de óxido de zinc con aceite de clavo. El óxido de zinc es un aditivo en los filtros de cigarrillos. Un filtro de carbón mezclado con óxido de zinc y óxido de hierro puede eliminar una gran cantidad de cianuro de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno del humo sin afectar su aroma.

Materiales colorantes

Pigmento blanco de zinc Al óxido de zinc se le llama blanco de zinc entre los pigmentos, [2] y su transparencia está entre el litopón y el dióxido de titanio. El blanco chino es un tipo especial de blanco de zinc, que es un tipo de pigmento utilizado por los pintores en la pintura. En comparación con el plomo blanco tradicional, el blanco de zinc puede durar para siempre al sol, no se contaminará con el aire que contiene azufre y no es tóxico y es barato. Las pinturas que contienen óxido de zinc son revestimientos anticorrosivos para metales tradicionales y son particularmente eficaces sobre hierro galvanizado. En comparación con los recubrimientos orgánicos, el óxido de zinc tiene un poder colorante y cubriente más fuerte, puede prevenir el moho y la radiación ultravioleta y tiene mejores efectos anticorrosión.

Electrónica

El óxido de zinc tiene una banda prohibida de energía muy alta a temperatura ambiente, por lo que a menudo se utiliza para fabricar diodos láser y diodos emisores de luz. En comparación con el nitruro de galio, que tiene una banda prohibida de energía igualmente alta, el óxido de zinc tiene una energía de unión de excitones mayor (alrededor de 60 meV a temperatura ambiente), por lo que emite un brillo más alto. Además, la estabilidad del óxido de zinc bajo radiación de alta energía y corrosión química húmeda es también una razón importante para su amplia aplicación.

El óxido de zinc dopado con aluminio se utiliza como electrodo transparente y el material compuesto es mucho menos costoso y tóxico que el óxido de indio y estaño tradicional. El óxido de zinc ya se utiliza en células solares y pantallas de cristal líquido. El óxido de zinc también se puede utilizar para fabricar transistores de película delgada transparentes (TTFT). Dado que es un transistor de efecto de campo, el elemento no requiere una unión PN, evitando así el problema de que el óxido de zinc sea difícil de fabricar.

Aplicaciones del nanoóxido de zinc

Debido al pequeño radio de las partículas y a la gran superficie específica, el nanoóxido de zinc muestra muchas propiedades físicas y químicas nuevas en comparación con los materiales de óxido de zinc ordinarios. por lo tanto, tiene propiedades especiales y nuevos usos que los materiales comunes de óxido de zinc no pueden igualar. El nanoóxido de zinc ha mostrado perspectivas de aplicación muy amplias y atractivas en los campos de la aeroespacial, la electrónica, la metalurgia, la química, la biología y la protección del medio ambiente. Por ejemplo, el polvo de nanoóxido de zinc puede absorber más del 85% de la luz visible mientras absorbe la luz ultravioleta. Por lo tanto, el nanoóxido de zinc se puede utilizar como aditivo en vidrios arquitectónicos y de automóviles para proteger los rayos ultravioleta potencialmente dañinos. Ya se encuentran en el mercado lentes para gafas anti-UV que contienen nanoóxido de zinc. Dado que el nanoóxido de zinc es un buen fotocatalizador, cuando se expone a la luz, puede descomponer automáticamente los electrones cargados negativamente que se mueven libremente en el agua y el aire, dejando agujeros cargados positivamente, activando así el aire. El oxígeno lo convierte en oxígeno activo, que puede matar. la mayoría de los gérmenes y virus. Por lo tanto, los productos de vidrio y cerámica a los que se les añade nanoóxido de zinc pueden tener propiedades de autolimpieza. Al cocer cerámica, la dosis de nanoóxido de zinc se puede reducir a 1/2 a 1/3 de la dosis de óxido de zinc ordinario, pero tiene mayor resistencia y dureza, menor temperatura de sinterización y superficie más brillante. El polvo de nanoóxido de zinc también tiene la propiedad óptica de "efecto de cambio de color dependiente del ángulo", es decir, el color del objeto pintado puede cambiar con el cambio del ángulo de visión del observador. El uso de polvo de nanoóxido de zinc en telas para revestimientos de automóviles puede producir un automóvil "camaleónico", que puede dar a los observadores una sensación de colores cambiantes y magníficos cuando el automóvil está en movimiento. Las películas hechas de nanoóxido de zinc son sensibles a la presión (lo que se manifiesta principalmente en características de voltamperometría no lineal). Cuando el material del varistor de óxido de zinc se somete a un voltaje externo mayor que su propio voltaje del varistor, ingresa a la región del voltaje de ruptura. En este momento, pequeños cambios en el voltaje causarán un rápido aumento en la corriente. Esta característica hace que los materiales sensibles a la presión de óxido de zinc se utilicen ampliamente en la protección contra sobrecorriente de varios circuitos. Con el rápido desarrollo de los circuitos integrados, las personas utilizan cada vez más varistores de bajo voltaje y baja potencia, y los varistores con un voltaje de varistor inferior a 5 V son cada vez más importantes. La propiedad del varistor del varistor de óxido de zinc proviene de su efecto de límite de grano (relacionado con el número de interfaces, cuantas más interfaces, mayor es el voltaje del varistor y viceversa). Aumentar el tamaño de las partículas de los cristales de óxido de zinc o reducir el espesor de los materiales de óxido de zinc son formas efectivas de reducir el voltaje del varistor. Para crear sensores que miden la composición del aire se utilizan partículas nanométricas en forma de varillas de óxido de zinc. Ciertos componentes del aire entran en contacto con distintos nanomateriales del sensor y generan las correspondientes señales eléctricas. El nanoóxido de zinc es muy sensible a los vapores orgánicos como el alcohol y la acetona, así como a los gases nocivos después de haber sido dopado con ciertos elementos. Tiene aplicaciones frecuentes en pruebas de salud, control de la concentración de alcohol en sangre de las personas y control de la concentración de alcohol en la atmósfera.

[Editar este párrafo] Historia de uso

Los seres humanos han aprendido a utilizar el óxido de zinc como recubrimientos o medicamentos externos desde muy temprana edad, pero la historia del descubrimiento humano del óxido de zinc es difícil de explicar. rastro. En el antiguo texto médico indio "Chakara Samhita" se registra un fármaco identificado posteriormente como óxido de zinc, que se utilizaba para tratar enfermedades y lesiones oculares. En el siglo I d.C., el médico griego Dioscórides también mencionó el uso de óxido de zinc como ungüento. La "Receta Huihui" de Avicena, completada en 1025, describía el óxido de zinc como el fármaco elegido para tratar diversas enfermedades de la piel, incluido el cáncer de piel. Hoy en día, el óxido de zinc ya no se usa para tratar el cáncer de piel, pero todavía se usa ampliamente para otras afecciones cutáneas comunes. Ya en el año 200 a. C., los romanos aprendieron a fabricar latón haciendo reaccionar cobre con mineral de zinc que contenía óxido de zinc. El óxido de zinc se convierte en vapor de zinc en el horno de cuba y rueda hacia la chimenea para reaccionar. Dioscórides también describe esto. Desde el siglo XII d.C., los indios conocían el zinc y los minerales de zinc, y comenzaron a fundir zinc de manera primitiva. La tecnología de fundición de zinc se introdujo en China en el siglo XVII. En 1743, se estableció la primera planta de fundición de zinc de Europa en Bristol, Inglaterra. [3] Otro uso importante del óxido de zinc en los tiempos antiguos y modernos fue en recubrimientos, llamados blanco de zinc. En 1834, el blanco de zinc se convirtió por primera vez en un pigmento de acuarela, pero el blanco de zinc era difícil de disolver en aceite.

Pero el problema pronto se resolvió mediante un nuevo proceso de producción de óxido de zinc. En 1845, Leclerc inició la producción a gran escala de pintura al óleo blanca de zinc en París y, en 1850, el blanco de zinc se hizo popular en toda Europa. El blanco de zinc es tan puro que a finales del siglo XIX algunos artistas pintaron sus cuadros con blanco de zinc como color de fondo. Sin embargo, todos estos cuadros desarrollaron grietas después de cien años. En la segunda mitad del siglo XX, el óxido de zinc se utilizó principalmente en la industria del caucho. En la década de 1970, el segundo uso más importante del óxido de zinc era como aditivo para el papel de copia, pero en el siglo XXI, se eliminó el uso de óxido de zinc como aditivo para el papel de copia. Al mismo tiempo, el óxido de zinc de granos diminutos empezó a ampliar su ámbito de aplicación en el campo de los nanomateriales.

[Editar este párrafo] Cuestiones de seguridad

Se puede añadir óxido de zinc a los alimentos para prevenir la corrosión o complementar el zinc. Sin embargo, los requisitos del producto son estrictos, especialmente el contenido de elementos de metales pesados ​​nocivos. debe ser controlado. El óxido de zinc en sí no es tóxico, pero las partículas de óxido de zinc inhaladas pueden ser dañinas. Los vapores de óxido de zinc se pueden producir en la industria de fundición de zinc, preparación de latón y trabajos de galvanización. Para evitar el humo, el hierro galvanizado no se puede soldar directamente y primero se debe quitar la película de zinc de la superficie