Zinkoxid

Zinkoxid
Zinc oxide.jpg
Namen
Andere Namen
Zinkweiß, Calamin, Wolle des Philosophen, chinesisches Weiß, Blumen von Zink
Kennungen
3D-Modell (Jsmol)
Chebi
ChEMBL
Chemspider
Drogenbank
Echa Infocard 100.013.839 Edit this at Wikidata
EC -Nummer
  • 215-222-5
13738
Kegg
Pubchem Cid
RTECS -Nummer
  • ZH4810000
Unii
UN -Nummer 3077
  • Inchi = 1s/o.Zn check
    Schlüssel: XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N check
  • [Zn] = o
Eigenschaften
ZnO
Molmasse 81,406 g/mol[1]
Aussehen Weiß feste[1]
Geruch Geruchlos
Dichte 5.606 g/cm3[1]
Schmelzpunkt 1.974 ° C (3.585 ° F; 2.247 K) (zersetzt)[1][5]
Siedepunkt 2.360 ° C (4,280 ° F; 2.630 K) (Zersetzung)
0,0004% (17,8 ° C)[2]
Bandabstand 3.3 eV (Direkte))
–27,2 · 10–6 cm3/mol[3]
n1= 2.013, n2= 2.029[4]
Struktur[6]
Wurtzit
C6v4-P63MC
a= 3,2495 Å, c= 5.2069 Å
2
Tetraedrisch
Thermochemie[7]
40.3 j · k–1Mol–1
43,7 ± 0,4 J · k–1Mol–1
-350,5 ± 0,3 kj mol–1
-320.5 kj mol–1
Pharmakologie
QA07XA91 (WER))
Gefahren
GHS Beschriftung:
GHS09: Environmental hazard
Warnung
H400, H401
P273, P391, P501
NFPA 704 (Feuerdiamant)
2
1
0
Flammpunkt 1.436 ° C (2.617 ° F; 1.709 K)
Tödliche Dosis oder Konzentration (LD, LC):
240 mg/kg (intraperitoneal, Ratte)[8]
7950 mg/kg (Ratte, mündlich)[9]
2500 mg/m3 (Maus)[9]
2500 mg/m3 (Meerschweinchen, 3–4 h)[9]
Niosh (US -amerikanische Gesundheitsgrenzen):
PEL (Zulässig)
TWA 5 mg/m3 (Fume) TWA 15 mg/m3 (Gesamtstaub) TWA 5 mg/m3 (resp Staub)[2]
Rel (Empfohlen)
Staub: TWA 5 mg/m3 C 15 mg/m3

Fume: TWA 5 mg/m3 St 10 mg/m3[2]

Idlh (Sofortige Gefahr)
500 mg/m3[2]
Sicherheitsdatenblatt (SDS) ICSC 0208
Verwandte Verbindungen
Sonstiges Anionen
Zinksulfid
Zink Selenid
Zink Telluride
Sonstiges Kationen
Cadmiumoxid
Quecksilber (ii) Oxid
Sofern sonst sonst notiert, werden Daten für Materialien in ihren angegeben Standardzustand (bei 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Infobox -Referenzen

Zinkoxid ist ein anorganische Verbindung mit dem Formel ZnO. Es ist ein weißes Pulver, das in Wasser unlöslich ist. ZnO wird als Additiv in zahlreichen Materialien und Produkten wie Kosmetik, Nahrungsergänzungsmitteln, Gummi, Kunststoff, Keramik, Glas, Zement, Schmiermittel, verwendet[10] Farben, Salben, Klebstoffe, Dichtungsmittel, Pigmente, Lebensmittel, Batterien, Ferriten, Feuerschutzmittel und Erste-Hilfe-Bänder. Obwohl es natürlich als Mineral vorkommt ZincitDas meiste Zinkoxid wird synthetisch hergestellt.[11]

ZnO ist ein Breitband-Gap-Halbleiter der II-VI Semiconductor Group. Der Einheimische Doping des Halbleiters aufgrund von Sauerstofflecken oder Zink-Interstitials ist N-Typ.[12] Weitere günstige Eigenschaften sind gute Transparenz, hoch Elektronenmobilität, breit Bandabstand, und starke Raumtemperatur Lumineszenz. Diese Eigenschaften machen ZnO für eine Vielzahl von aufstrebenden Anwendungen wertvoll: transparent Elektroden in Flüssigkristallanzeigen, energiesparende oder Wärmeschutzfenster und Elektronik als Dünnfilm Transistoren und Leuchtdioden.

Chemische Eigenschaften

Reines Zno ist ein weißes Pulver, aber in der Natur tritt es als seltenes Mineral auf Zincit, was normalerweise Mangan und andere Verunreinigungen enthält, die eine Gelb der roten Farbe verleihen.[13]

Kristalline Zinkoxid ist Thermochrom, wechseln Sie von weiß zu gelb, wenn Sie in der Luft erhitzt und beim Abkühlen nach Weiß zurückkehren.[14] Diese Farbänderung wird durch einen geringen Sauerstoffverlust an die Umwelt bei hohen Temperaturen verursacht, um die zu bilden nicht zur Verfügung stehen Zn1+xO, wobei bei 800 ° C x = 0,00007.[14]

Zinkoxid ist ein amphoteres Oxid. Es ist fast unlöslich in Wasser, aber es wird sich in den meisten auflösen Säuren, wie zum Beispiel Hydrochlor Säure:[15]

ZnO + 2 HCl → Zncl2 + H2O

Festes Zinkoxid wird sich auch in Alkalien auflösen, um lösliche Zincates zu verleihen:

ZnO + 2 NaOH + H2O → na2[Zn (OH)4]

ZnO reagiert langsam mit Fettsäuren in Ölen, um die entsprechenden zu produzieren Carboxylate, wie zum Beispiel Oleat oder sterben. Bei gemischt mit einer starken wässrigen Lösung von Zinkchlorid, ZnO-Formulare zementartige Produkte am besten als Zinkhydroxychloride beschrieben.[16] Dieser Zement wurde in der Zahnmedizin verwendet.[17]

Hoffnung

ZnO bildet auch zementartiges Material, wenn er mit behandelt wird Phosphorsäure; Verwandte Materialien werden in der Zahnheilkunde verwendet.[17] Ein Hauptbestandteil des Zinkphosphatzements, der durch diese Reaktion erzeugt wird, ist Hoffnung, Zn3(Po4)2· 4h2Ö.[18]

ZnO zersetzt sich in Zinkdampf und Sauerstoff um 1975 ° C mit einem Standard -Sauerstoffdruck. In einem KarbothermenreaktionDas Erhitzen mit Kohlenstoff wandelt das Oxid in Zinkdampf bei einer viel niedrigeren Temperatur (etwa 950 ° C) um.[15]

ZnO + C → Zn(Dampf) + Co

Physikalische Eigenschaften

Wurtzitstruktur
Eine Zellen der Zinkblendeeinheit

Struktur

Zinkoxid kristallisiert in zwei Hauptstücken Formen, sechseckig Wurtzit[19] und kubisch Zinkblende. Die Wurtzitstruktur ist unter Umgebungsbedingungen am stabilsten und somit am häufigsten. Die Zinkblendeform kann stabilisiert werden, indem ZnO auf Substraten mit kubischer Gitterstruktur angewachsen ist. In beiden Fällen sind die Zink- und Oxidzentren Tetraedrisch, die charakteristischste Geometrie für Zn (II). ZnO konvertiert in die Steinsalz Motiv bei relativ hohen Drücken etwa 10 GPa.[12] Die vielen bemerkenswerten medizinischen Eigenschaften von Cremes, die ZnO enthalten, können durch seine elastische Weichheit erklärt werden, die für tetraedrische koordinierte binäre Verbindungen in der Nähe des Übergangs zu oktaedrischen Strukturen charakteristisch ist.[20]

Hexagonal und Zinkblende -Polymorphen haben keine Inversionssymmetrie (Die Reflexion eines Kristalls relativ zu einem bestimmten Punkt verwandelt ihn nicht in sich selbst). Diese und andere und andere Gittersymmetrieeigenschaften führen zu Piezoelektrizität des hexagonalen und Zincblende Zno, und Pyroelektrizität von sechseckiger Zno.

Die sechseckige Struktur hat eine Punktgruppe 6 mm (Hermann -Mauguin Notation) oder c6v (Schoenflies Notation), und die Raumgruppe ist p63MC oder c6v4. Die Gitterkonstanten sind a = 3,25 Å und c = 5,2 Å; ihr Verhältnis c/a ~ 1,60 ist nahe dem idealen Wert für die hexagonale Zelle c/a = 1,633.[21] Wie in den meisten Gruppe II-VI Materialien, die Bindung in ZnO ist größtenteils ionisch (Zn2+O2–) mit den entsprechenden Radien von 0,074 nm für Zn2+ und 0,140 nm für o2–. Diese Eigenschaft berücksichtigt eher die bevorzugte Bildung von Wurtzit als die Zinkmischungsstruktur.[22] sowie die starken Piezoelektrizität von Zno. Aufgrund der polaren Zn -O -Bindungen werden Zink- und Sauerstoffebenen elektrisch aufgeladen. Um die elektrische Neutralität aufrechtzuerhalten, rekonstruieren diese Ebenen in den meisten relativen Materialien auf atomarer Ebene, jedoch nicht in ZnO - seine Oberflächen sind atomisch flach, stabil und zeigen keine Rekonstruktion.[23] Studien mit Wurtzoidstrukturen erklärten jedoch den Ursprung der Oberflächenflatheit und das Fehlen einer Rekonstruktion an ZnO -Wurtzitoberflächen[24] Zusätzlich zum Ursprung von Gebühren auf ZnO -Flugzeugen.

Mechanische Eigenschaften

ZnO ist ein relativ weiches Material mit ungefährer Härte von 4,5 auf dem MOHS -Skala.[10] Seine elastischen Konstanten sind kleiner als die von relevanten III-V-Halbleitern, wie z. Gan. Die hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige thermische Expansion und die hohe Schmelztemperatur von ZnO sind für Keramik von Vorteil.[25] Der e2 Optischer Phonon In ZnO weist eine ungewöhnlich lange Lebensdauer von 133 ps bei 10 km auf.[26]

Unter den tetraedral gebundenen Halbleitern wurde festgestellt, dass ZnO den höchsten piezoelektrischen Tensor hat oder mindestens einen vergleichbar mit dem von vergleichbar ist Gan und Aln.[27] Diese Eigenschaft macht es für viele technologisch wichtiges Material piezoelektrisch Anwendungen, für die eine große elektromechanische Kupplung erforderlich ist. Daher zno in Form von dünner Film war eines der am meisten untersuchten Resonatormaterialien für Dünnfilm-Schüttgut-Akustikresonatoren.

Elektrische und optische Eigenschaften

ZnO hat eine relativ große Direkte Bandabstand von ~ 3,3 eV bei Raumtemperatur. Vorteile, die mit einer großen Bandlücke verbunden sind Breakdown -Spannungen, Fähigkeit, große elektrische Felder aufrechtzuerhalten, niedriger elektronisches Geräuschund Hochtemperatur- und Hochleistungsbetrieb. Die Bandlücke von ZnO kann weiter auf ~ 3–4 eV eingestellt werden Magnesiumoxid oder Cadmiumoxid.[12]

Die meisten ZnO haben n-Typ Charakter auch ohne Absicht Doping. Non -Silichiometrie ist typischerweise der Ursprung des N-Typ-Charakters, aber das Subjekt bleibt umstritten.[28] Es wurde eine alternative Erklärung vorgeschlagen, die auf theoretischen Berechnungen beruht, dass unbeabsichtigte Substitutionelle Wasserstoffverunreinigungen verantwortlich sind.[29] Kontrollierbares N-Typ-Dotieren ist leicht zu erreichen, indem Zn durch Gruppen-III-Elemente wie Al, Ga in oder durch Ersetzen von Sauerstoff durch Gruppen-VII-Elemente ersetzt wird Chlor oder Jod.[30]

Zuverlässig P-Typ Das Dotieren von ZnO bleibt schwierig. Dieses Problem stammt aus einer geringen Löslichkeit von P-Typ-Dotierstoffen und ihrer Entschädigung durch reichlich vorhandene N-Typ-Verunreinigungen. Dieses Problem wird mit beobachtet Gan und Znse. Die Messung des P-Typs in "intrinsisch" N-Typ-Material wird durch die Inhomogenität von Proben kompliziert.[31]

Aktuelle Einschränkungen bei P-Doping begrenzen elektronische und optoelektronische Anwendungen von ZnO, für die normalerweise Verbindungen des N-Typs- und P-Typs erforderlich sind. Bekannte P-Typ-Dotiermittel umfassen Gruppen-I-Elemente Li, Na, K; Gruppe-V-Elemente N, P und As; sowie Kupfer und Silber. Viele dieser tiefen Akzeptoren bilden jedoch keine signifikante Leitung von P-Typ bei Raumtemperatur.[12]

Elektronenmobilität von ZnO variiert stark mit der Temperatur und hat maximal ~ 2000 cm2/(V · s) bei 80 k.[32] Daten zur Lochmobilität sind knapp mit Werten im Bereich von 5 bis 30 cm2/(V · s).[33]

ZnO -Discs, die als a wirken Varistor, sind das aktive Material in den meisten Surge Verhaftungen.[34][35]

Zinkoxid ist für seine stark Nichtlinear optisch Eigenschaften, insbesondere in loser Schüttung. Die Nichtlinearität von ZnO-Nanopartikeln kann nach ihrer Größe fein abgestimmt werden.[36]

Produktion

Für den industriellen Gebrauch wird ZnO mit 10 Niveaus produziert5 Tonnen pro Jahr[13] von drei Hauptprozessen:[25]

Indirekter Prozess

Im indirekten oder französischen Prozess wird metallisches Zink in einem Graphit -Tiegel geschmolzen und bei Temperaturen über 907 ° C (typischerweise etwa 1000 ° C) verdampft. Zinkdampf reagiert mit dem Sauerstoff in der Luft, um ZnO zu ergeben, begleitet von einem Temperaturabfall und hellen Lumineszenz. Zinkoxidpartikel werden in einen Kühlkanal transportiert und in einem Beutelhaus gesammelt. Diese indirekte Methode wurde 1844 von Leclaire (Frankreich) populär gemacht und ist daher allgemein als französischer Prozess bekannt. Sein Produkt besteht normalerweise aus agglomerierten Zinkoxidpartikeln mit einer durchschnittlichen Größe von 0,1 bis zu einigen Mikrometern. Zum Gewicht wird der größte Teil des weltweiten Zinkoxids über den französischen Prozess hergestellt.

Direkter Prozess

Der direkte oder amerikanische Prozess beginnt mit vielfältigen kontaminierten Zinkverbundwerkstoffen, wie z. Zinkerze oder Schmelz Nebenprodukte. Die Zinkvorläufer sind reduziert (Karbauthermalreduzierung) durch Erhitzen mit einer Kohlenstoffquelle wie z. Anthrazit Zinkdampf produzieren, der dann wie im indirekten Prozess oxidiert wird. Aufgrund der niedrigeren Reinheit des Ausgangsmaterials ist das Endprodukt auch im direkten Prozess von geringerer Qualität im Vergleich zum indirekten.

Nasschemischer Prozess

Eine kleine Menge an industrieller Produktion beinhaltet nasse chemische Prozesse, die mit wässrigen Lösungen von Zinksalzen beginnen, aus denen Zinkkarbonat oder Zinkhydroxid ist ausgefällt. Der feste Niederschlag wird dann bei Temperaturen um 800 ° C kalkiniert.

Laborsynthese

Die roten und grünen Farben dieser synthetischen ZnO -Kristalle resultieren aus verschiedenen Konzentrationen von Sauerstoffleerstellen.[37]

Es gibt zahlreiche spezielle Methoden zur Herstellung von ZnO für wissenschaftliche Studien und Nischenanwendungen. Diese Methoden können durch die resultierende ZnO -Form klassifiziert werden (Bulk, Dünnfilm, Nanodraht), Temperatur ("niedrig", dh nahezu Raumtemperatur oder "hoch", dh T ~ 1000 ° C), Prozesstyp (Dampfabscheidung oder Wachstum aus Lösung) und andere Parameter.

Große Einkristalle (viele Kubikzentimeter) können durch den Gastransport (Dampfphasenabscheidung) gezüchtet werden. Hydrothermale Synthese,[23][37][38] oder Wachstum schmelzen.[5] Allerdings wegen des Hochs Dampfdruck Von ZnO ist das Wachstum der Schmelze problematisch. Das Wachstum durch Gastransport ist schwer zu kontrollieren und lässt die hydrothermale Methode als Präferenz.[5] Dünnfilme können von produziert werden von chemische Gasphasenabscheidung, Metalorganische Dampfphase -Epitaxie, Elektrodeposition, gepulste Laserablagerung, sputtern, Sol -Gel Synthese, Atomschichtabscheidung, Sprühpyrolyse usw.

Gewöhnliches weißes Pulverzinkoxid kann im Labor durch Elektrolysierung einer Natriumbicarbonat -Lösung mit einer Zinkanode erzeugt werden. Zinkhydroxid und Wasserstoffgas werden erzeugt. Das Zinkhydroxid beim Erhitzen zersetzt sich auf Zinkoxid:

Zn + 2 h2O → Zn (OH)2 + H2
Zn (OH)2 → ZnO + H2O

Zno -Nanostrukturen

Nanostrukturen von ZnO können in eine Vielzahl von Morphologien, einschließlich Nanodrähten, synthetisiert werden. Nanorods, Tetrapods, Nanobelts, Nanoflowers, Nanopartikel usw. Nanostrukturen können mit den meisten oben genannten Techniken, unter bestimmten Bedingungen und auch mit dem erhalten werden Vapor -Liquid -Solid -Methode.[23][39][40] Die Synthese wird typischerweise bei Temperaturen von etwa 90 ° C in einer äquimolaren wässrigen Lösung von durchgeführt Zinknitrat und HexaminLetzteres liefert die grundlegende Umgebung. Bestimmte Additive, wie Polyethylenglykol oder Polyethylenimin, können das Aspektverhältnis der ZnO -Nanodrähte verbessern.[41] Das Dotieren der ZnO -Nanodrähte wurde durch Zugabe anderer Metallnitrate zur Wachstumslösung erreicht.[42] Die Morphologie der resultierenden Nanostrukturen kann durch Ändern der Parameter in Bezug auf die Vorläuferzusammensetzung (wie die Zinkkonzentration und den pH) oder die thermische Behandlung (wie die Temperatur und Heizrate) eingestellt werden.[43]

Ausgerichtete Zno-Nanodrähte auf vorbereiteten Silizium, Glas, und Galliumnitrid Substrate wurden unter Verwendung wässriger Zinksalze wie Zinknitrat und gezüchtet und Zinkacetat in grundlegenden Umgebungen.[44] Vordacher Substrate mit ZnO erzeugt Stellen für die homogene Keimbildung von ZnO-Kristall während der Synthese. Zu den häufigen Methoden vor dem Aussaat gehören die thermische Zersetzung von In-situ Zinkacetat Kristallite, Spinziat von ZnO -Nanopartikeln und die Verwendung von physische Dampfabscheidung Methoden zur Ablagerung von ZnO -Dünnfilmen.[45][46] Vorssekung kann in Verbindung mit Top-Down-Strukturierungsmethoden wie durchgeführt werden, z. B. Elektronenstrahllithographie und Nanosphäre -Lithographie zur Bestimmung der Keimbildungsstellen vor dem Wachstum. Ausgerichtete Zno -Nanodrähte können in verwendet werden Farbstoffsensibilisierte Solarzellen und Feldemissionsgeräte.[47][48]

Geschichte

Zinkverbindungen wurden wahrscheinlich von frühen Menschen in verarbeiteten und unverarbeiteten Formen als Farbe oder medizinische Salbe verwendet, aber ihre Zusammensetzung ist ungewiss. Die Verwendung von Pushpanjan, wahrscheinlich Zinkoxid als Salbe für Augen und offene Wunden, wird im indischen medizinischen Text der erwähnt Charaka Samhita, gedacht bisher ab 500 v. Chr. Und zuvor.[49] Zinkoxidsalbe wird auch vom griechischen Arzt erwähnt Dioscorides (1. Jahrhundert n. Chr.).[50] Galen vorgeschlagen, Ulzeratkrebs mit Zinkoxid zu behandeln,[51] so wie ... getan hat Avicenna in seinem Der Kanon der Medizin. Es wird als Zutat in Produkten wie verwendet, z. Babypuder und Cremes gegen Windelausschläge, Calamin Creme, AntiSchuppen Shampoos, und Antiseptikum Salben.[52]

Die Römer produzierten beträchtliche Mengen von Messing (eine Legierung von Zink und Kupfer) Bereits 200 v. Chr. Durch einen Zementierungsprozess, bei dem Kupfer mit Zinkoxid reagiert wurde.[53] Es wird angenommen, dass das Zinkoxid durch Erhitzen von Zinkerz in einem Wellenofen hergestellt wurde. Dieses freie metallische Zink als Dampf, der dann den Rauch aufstieg und als Oxid kondensierte. Dieser Prozess wurde von beschrieben von Dioscorides im 1. Jahrhundert n. Chr.[54] Zinkoxid wurde auch aus Zinkminen in Zawar in gewonnen Indien, aus der zweiten Hälfte des ersten Jahrtausends v. Chr.[50]

Vom 12. bis zum 16. Jahrhundert wurden Zink und Zinkoxid in Indien unter Verwendung einer primitiven Form des direkten Syntheseprozesses erkannt und produziert. Aus Indien zog die Zinkherstellung im 17. Jahrhundert nach China. 1743 wurde die erste europäische Zinkschmelze eingerichtet in Bristol, Vereinigtes Königreich.[55] Um 1782 Louis-Bernard Guyton de Morveau vorgeschlagenes Ersetzen LEDE WEISS mit Zinkoxid.[56]

Die Hauptverwendung von Zinkoxid (Zinkweiß) war in Farben und als Additiv zu Salben. Zinkweiß wurde bis 1834 als Pigment in Ölgemälden akzeptiert, aber es mischte sich nicht gut mit Öl. Dieses Problem wurde gelöst, indem die Synthese von ZnO optimiert wurde. Im Jahr 1845 produzierte Leclaire in Paris die Ölfarbe in großem Maßstab, und im Jahr 1850 wurde Zinkweiß in ganz Europa hergestellt. Der Erfolg von Zinkweißfarbe war auf seine Vorteile gegenüber dem traditionellen weißen Vorsprung zurückzuführen: Zinkweiß ist im Sonnenlicht im Wesentlichen dauerhaft, sie wird nicht durch schwefelhaltige Luft geschwärzt, sondern ist ungiftig und wirtschaftlicher. Weil Zinkweiß so "sauber" ist, ist es wertvoll, Farbtöne mit anderen Farben herzustellen, aber es macht einen ziemlich spröden trockenen Film, wenn es mit anderen Farben nicht gemischt wird. Zum Beispiel verwendeten einige Künstler in den späten 1890er und frühen 1900er Jahren Zinkweiß als Boden für ihre Ölgemälde. All diese Bilder entwickelten im Laufe der Jahre Risse.[57]

In jüngster Zeit wurde das meiste Zinkoxid in der verwendet Gummi Industrie zu widerstehen Korrosion. In den 1970er Jahren war die zweitgrößte Anwendung von ZnO Fotokopieren. Das vom "französischen Prozess" produzierte hochwertige Zno wurde zum Fotokopierpapier als Füllstoff hinzugefügt. Diese Anwendung wurde bald von verdrängt von Titan.[25]

Anwendungen

Die Anwendungen von Zinkoxidpulver sind zahlreich und die Hauptanwendungen sind nachstehend zusammengefasst. Die meisten Anwendungen nutzen die Reaktivität des Oxids als Vorläufer für andere Zinkverbindungen. Für materielle Wissenschaftsanwendungen hat Zinkoxid hoch Brechungsindex, hohe thermische Leitfähigkeit, Bindung, antibakterielle und UV-Schutzeigenschaften. Infolgedessen wird es in Materialien und Produkte wie Kunststoffe, Keramik, Glas, Zement hinzugefügt, wie Kunststoffe, Keramik, Glas, Zement,[58] Gummi, Schmiermittel, Schmiermittel,[10] Farben, Salben, Klebstoff, Dichtungsmittel, Beton Herstellung, Pigmente, Lebensmittel, Batterien, Ferriten, Feuerschutzmittel usw.[59]

Gummiherstellung

Zwischen 50% und 60% des ZnO -Gebrauchs befinden sich in der Gummiindustrie.[60] Zinkoxid zusammen mit Stearinsäure wird in der verwendet Vulkanisation von Gummi[25][61] ZnO -Additive schützen auch Gummi vor Pilzen (siehe medizinische Anwendungen) und UV -Licht.

Keramikindustrie

Die Keramikindustrie verbraucht eine erhebliche Menge Zinkoxid, insbesondere in Keramikglasur und Frit -Zusammensetzungen. Die relativ hohe Wärmekapazität, die thermische Leitfähigkeit und die hohe Temperaturstabilität von ZnO gekoppelt mit einem vergleichsweise niedrigen Expansionskoeffizienten sind wünschenswerte Eigenschaften bei der Herstellung von Keramik. ZnO beeinflusst den Schmelzpunkt und die optischen Eigenschaften der Glasuren, Emaille und Keramikformulierungen. Zinkoxid Als niedriger Expansion verbessert der sekundäre Fluss die Elastizität von Glasuren, indem sie die Viskositätsänderung als Funktion der Temperatur verringert und hilft, Verrücktheit und Zittern zu verhindern. Durch das Ersetzen von ZnO durch BAO und PBO wird die Wärmekapazität verringert und die thermische Leitfähigkeit erhöht. Zink in kleinen Mengen verbessert die Entwicklung von glänzenden und brillanten Oberflächen. In moderaten bis hohen Mengen produziert es jedoch matte und kristalline Oberflächen. In Bezug auf die Farbe hat Zink einen komplizierten Einfluss.[60]

Medizin

Zinkoxid als Mischung mit etwa 0,5% Eisen (iii) Oxid (Fe2O3) wird genannt Calamin und wird in Calaminlotion verwendet. Zwei Mineralien, Zincit und Hemimorphit, wurden historisch genannt Calamin. Wenn mit gemischt mit Eugenol, a Ligand, Zinkoxid Eugenol wird gebildet, die Anwendungen als restaurativ und prothetisch in Zahnheilkunde.[17][62]

Die grundlegenden Eigenschaften von ZnO widerspiegeln,[Weitere Erklärung erforderlich] Feine Oxidpartikel haben deodorisierend und antibakteriell[63] Eigenschaften und aus diesem Grund werden Materialien wie Baumwollgewebe, Gummi, Mundpflegeprodukte hinzugefügt.[64][65] und Lebensmittelverpackung.[66][67] Eine verbesserte antibakterielle Wirkung von feinen Partikeln im Vergleich zu Schüttgütern ist nicht ausschließlich ZnO und wird für andere Materialien beobachtet, wie z. Silber-.[68] Diese Eigenschaft resultiert aus der erhöhten Oberfläche der feinen Partikel.

Zinkoxid wird in verwendet Mundwasser Produkte und Zahnpasten als antibakterielles Mittel zur Verhinderung vorgeschlagen Plakette und Zahnstein Formation,[69] und zu kontrollieren schlechter Atem Durch Reduzieren des flüchtig Gase und flüchtige Schwefelverbindungen (VSC) im Mund.[70] Zusammen mit Zinkoxid oder Zinksalzen enthalten diese Produkte üblicherweise auch andere Wirkstoffe, wie z. Cetylpyridiniumchlorid,[71] Xylitol,[72] Hinokitiol,[73] essentielle Öle und Pflanze Auszüge.[74][75]

Zinkoxid wird häufig zur Behandlung einer Vielzahl von Hauterkrankungen eingesetzt, einschließlich atopische Dermatitis, Kontaktdermatitis, Juckreiz aufgrund von Ekzem, Windelausschlag und Akne.[76] Zinkoxid wird auch oft in hinzugefügt in Sonnenschutzmittel.[76]

Es wird in Produkten wie verwendet, z. Babypuder und Barrierescremes behandeln Windelausschläge, Calamin Creme, AntiSchuppen Shampoos, und Antiseptikum Salben.[52][77] Es ist auch eine Komponente in Band (als "Zinkoxidband" genannt) von Athleten als Verband, um beim Training Weichteilschäden zu vermeiden.[78]

Zinkoxid kann verwendet werden[79] in Salben, Cremes und Lotionen sich gegen Sonnenbrand und andere Schäden an der Haut durch verursacht durch ultraviolettes Licht (sehen Sonnenschutzmittel). Es ist das breiteste Spektrum UVA- und UVB -Absorber[80][81] Das ist für den Einsatz als Sonnenschutz durch die USA zugelassen Food and Drug Administration (FDA),[82] und ist vollständig photostabel.[83] Wenn als Zutat in verwendet Sonnenschutzmittel, Zinkoxid blockiert beide UVA (320–400 nm) und UVB (280–320 nm) Strahlen von ultraviolettes Licht. Zinkoxid und die anderen häufigsten physikalischen Sonnenschutzmittel, Titandioxid, werden als nicht überlastend, nicht-allogen und nicht angesehenKomödien.[84] Zink aus Zinkoxid ist jedoch leicht in die Haut absorbiert.[85]

Viele Sonnenschutzmittel verwenden Nanopartikel aus Zinkoxid (zusammen mit Nanopartikeln aus Titandioxid), da solche kleinen Partikel kein Licht streuen und daher nicht weiß erscheinen. Die Nanopartikel werden nicht mehr in die Haut aufgenommen als normale Zinkoxidpartikel in der Größe,[86] und werden nur in die aufgenommen äußerste Schicht der Haut, aber nicht in den Körper.[86]

Zinkoxid Nanopartikel kann die antibakterielle Aktivität von verbessern Ciprofloxacin. Es wurde gezeigt, dass Nano -ZnO mit einer durchschnittlichen Größe zwischen 20 nm und 45 nm die antibakterielle Aktivität von verbessern kann Ciprofloxacin gegen Staphylococcus aureus und Escherichia coli in vitro. Die Verbesserungswirkung dieser Nanomaterial ist Konzentration abhängig von allen Teststämmen. Dieser Effekt kann auf zwei Gründe liegen. Erstens können Zinkoxid -Nanopartikel das Nora -Protein stören, das zum Konferenz entwickelt wird Widerstand in Bakterien und Pumpaktivität, die die vermitteln Ausfluss von hydrophilen Fluorchinolonen aus einer Zelle. Zweitens können Zinkoxid -Nanopartikel das OMF -Protein stören, was für die Permeation von verantwortlich ist Chinolon -Antibiotika in die Zelle.[87]

Zigarettenfilter

Zinkoxid ist eine Komponente von Zigarettenfilter. Ein Filter, der aus Holzkohle besteht, das mit Zinkoxid und Eisenoxid imprägniert ist, beseitigt signifikante Mengen an Wasserstoffcyanid (HCN) und Wasserstoffsulfid (H2S) aus Tabakrauch, ohne seinen Geschmack zu beeinflussen.[59]

Lebensmittelzusatz

Zinkoxid wird zu vielen Lebensmitteln hinzugefügt, einschließlich Frühstücksflockenals Zinkquelle,[88] ein notwendiges Nährstoff. (Zinksulfat wird auch für denselben Zweck verwendet.) Einige vorverpackte Lebensmittel enthalten auch Spurenmengen ZnO, auch wenn sie nicht als Nährstoff gedacht sind.

Zinkoxid wurde mit Dioxinkontamination bei Schweinefleischxporten in der verbunden Chilenische Schweinekrise 2008 2008. Es wurde festgestellt, dass die Kontamination auf dioxin kontaminierte Zinkoxid in Schweinefutter zurückzuführen ist.[89]

Pigment

Zinkoxid (Zinkweiß) wird als Pigment in verwendet Farben und ist undurchsichtiger als Lithopone, aber weniger undurchsichtig als Titandioxid.[11] Es wird auch in Beschichtungen für Papier verwendet. Chinese White ist eine besondere Klasse von Zinkweiß, die in Künstlern verwendet wird. Pigmente.[90] Die Verwendung von Zinkweiß als Pigment in der Ölgemälde begann Mitte des 18. Jahrhunderts.[91] Es hat den giftigen ersetzt LEDE WEISS und wurde von Malern wie verwendet, z. Böcklin, Van Gogh,[92] Manet, Munch und andere. Es ist auch ein Hauptbestandteil des Mineral -Make -ups (CI 77947).[93]

UV -Absorber

Mikronisierte und Nanokalo-Zinkoxid und Titandioxid bieten einen starken Schutz vor UVA und UVB UV-Strahlung, und werden in verwendet Sonnencreme,[94] und auch in UV-Blocking Sonnenbrille zum Nutzen im Raum und zum Schutz, wenn Schweißen, nach Forschungen von Wissenschaftlern des Jet Propulsion Laboratory (Jpl).[95]

Beschichtungen

Farben, die Zinkoxidpulver enthalten, werden seit langem als antikorrosive Beschichtungen für Metalle verwendet. Sie sind besonders effektiv für verzinktes Eisen. Eisen ist schwer zu schützen, da seine Reaktivität mit organischen Beschichtungen zu Sprödigkeit und Mangel an Adhäsion führt. Zinkoxidfarben behalten ihre Flexibilität und Einhaltung solcher Oberflächen für viele Jahre.[59]

ZnO hoch N-Typ dotiert mit Aluminium, Gallium, oder Indium ist transparent und leitend (Transparenz ~ 90%, niedrigste Widerstand ~ 10–4 Ω · cm[96]). ZnO: Al-Beschichtungen werden für energiesparende oder hitzebesteuerliche Fenster verwendet. Die Beschichtung ermöglicht den sichtbaren Teil des Spektrums ein, reflektiert jedoch entweder die Infrarot (IR) -Roste zurück in den Raum (Energieeinsparung) oder lässt die IR -Strahlung nicht in den Raum (Wärmeschutz), je nachdem, welche Seite des Fensters hat die Beschichtung.[13]

Kunststoffe wie z. Polyethylen -Naphthalat (Pen) kann durch Anwenden von Zinkoxidbeschichtung geschützt werden. Die Beschichtung reduziert die Diffusion von Sauerstoff mit Stift.[97] Zinkoxidschichten können auch verwendet werden Polycarbonat In Anwendungen im Freien. Die Beschichtung schützt Polycarbonat vor Sonneneinstrahlung und verringert ihre Oxidationsrate und die foto -gelbe.[98]

Korrosionsprävention bei Kernreaktoren

Zinkoxid erschöpfte in 64Zn (der Zinkisotop mit Atommasse 64) wird bei der Korrosionsprävention bei Nuklear verwendet Druckwasserreaktoren. Die Erschöpfung ist notwendig, weil 64Zn ist transformiert in radioaktiv 65Zn unter Bestrahlung durch die Reaktor -Neutronen.[99]

Methanreformierung

Zinkoxid (ZnO) wird als Vorbehandlungsschritt zum Entfernen verwendet Schwefelwasserstoff (H2S) von Erdgas folgen Hydrierung von jedem Schwefel Verbindungen vor a Methanreformer, was den Katalysator vergiften kann. Bei Temperaturen zwischen etwa 230–430 ° C (446–806 ° F), H.2S wird auf konvertiert zu Wasser durch die folgende Reaktion:

H2S + zno → h2O + Zns

Das Zinksulfid (Zns) wird durch verbrauchtes Zinkoxid durch frisches Zinkoxid ersetzt.[100]

Anwendungsmöglichkeiten

Elektronik

Foto eines operativen ZnO UV Laserdiode und die entsprechende Gerätestruktur.[101]
Flexibler Gassensor basierend auf ZnO -Nanoroden und seiner inneren Struktur. Ito steht für Indiumzinnoxid und Haustier für Polyethylen Terephthalat.[102]

Zno hat breit Direkte Bandlücke (3,37 eV oder 375 nm bei Raumtemperatur). Daher sind die häufigsten potenziellen Anwendungen in Laserdioden und Leuchtdioden (LEDs).[103] Darüber hinaus wurden in ZnO über ultraschnelle Nichtlinearitäten und photoleitige Funktionen berichtet.[104] Einige optoelektronische Anwendungen von ZnO überlappen sich mit denen von Gan, was eine ähnliche Bandlücke hat (~ 3,4 eV bei Raumtemperatur). Im Vergleich zu GaN hat ZnO eine größere Exzitonenbindungsenergie (~ 60 MeV, 2,4-fache der thermischen Energie des Raumtemperaturs), was zu einer hellen Raumtemperaturemission von ZnO führt. ZnO kann mit GaN für LED-Anwendungen kombiniert werden. Zum Beispiel a transparent leitende Oxid Schicht- und ZnO -Nanostrukturen bieten eine bessere Lichtüberkopplung.[105] Andere Eigenschaften von ZnO, die für elektronische Anwendungen günstig sind, sind die Stabilität für energiereiche Strahlung und die Möglichkeit, durch nasse chemische Ätzen strukturiert zu werden.[106] Strahlungswiderstand[107] macht ZnO zu einem geeigneten Kandidaten für Weltraumanwendungen. ZnO ist der vielversprechendste Kandidat auf dem Gebiet von Zufällige Laser Erzeugen Sie eine elektronisch gepumpte UV -Laserquelle.

Die spitzen Spitzen von ZnO -Nanoroden führen zu einer starken Verbesserung eines elektrischen Feldes. Daher können sie als verwendet werden als Feldemitter.[108]

Aluminium-dotierte ZnO-Schichten werden als transparent verwendet Elektroden. Die Komponenten Zn und Al sind im Vergleich zu den allgemein verwendeten viel billiger und weniger toxisch Indiumzinnoxid (Ito). Eine Anwendung, die im Handel erhältlich ist, ist die Verwendung von ZnO als vorderer Kontakt für Solarzellen oder von Flüssigkristallanzeigen.[109]

Transparentes Dünnfilm Transistoren (TTFT) kann mit ZnO produziert werden. Als Feldeffekttransistoren benötigen sie möglicherweise sogar keine P-N-Übergangs.[110] Daher vermeiden Sie das P-Typ-Dopingproblem von ZnO. Einige der Feldeffekttransistoren verwenden sogar ZnO-Nanoroden als leitende Kanäle.[111]

Zinkoxid -Nanorodsensor

Zinkoxid -Nanorodsensoren Sind Geräte, die Änderungen in erkennen elektrischer Strom durch Zinkoxid gehen Nanodrähte wegen Adsorption von Gasmolekülen. Die Selektivität gegenüber Wasserstoffgas wurde durch Sputtern erreicht Palladium Cluster auf der Nanorod -Oberfläche. Die Zugabe von Palladium scheint bei der katalytischen Dissoziation von Wasserstoffmolekülen in atomare Wasserstoff wirksam zu sein, was die Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung erhöht. Der Sensor erkennt bei Raumtemperatur die Wasserstoffkonzentrationen auf 10 Teile pro Million, während es keine Reaktion auf Sauerstoff gibt.[112][113] ZnO wurde als Immobilisierungsschichten in Immunosensoren verwendet, die die Verteilung von Antikörpern über den gesamten Bereich ermöglichen, der durch das auf die Mikroelektroden angewendete Messfeld untersucht wurde.[114]

Spintronik

ZnO wurde auch für in Betracht gezogen Spintronik Anwendungen: Wenn Sie mit 1–10% der Magnetionen (Mn, Fe, Co, V usw.) dotiert sind, könnte ZnO werden ferromagnetischsogar bei Raumtemperatur. Solche Raumtemperatur Ferromagnetismus In ZnO: Mn wurde beobachtet,[115] Es ist jedoch noch nicht klar, ob es aus der Matrix selbst oder aus sekundären Oxidphasen stammt.

Piezoelektrizität

Das Piezoelektrizität in Textil- Fasern beschichtet In ZnO wurden gezeigt, dass sie in der Lage sind, "selbstbetriebene Nanosysteme" mit alltäglichen mechanischen Stress durch Wind- oder Körperbewegungen herzustellen.[116][117]

2008 der Zentrum für Nanostrukturcharakterisierung Bei der Georgia Institute of Technology berichtete, ein Stromerzeugungsgerät (als flexibler Ladungspumpengenerator bezeichnet) zu erzeugen, das abwechselnd Strom liefert, indem Zinkoxid -Nanodrähte gestreckt und freigesetzt werden. Dieser Mini-Generator erzeugt eine oszillierende Spannung von bis zu 45 Millivolt, wodurch fast sieben Prozent der angelegten mechanischen Energie in Strom umgewandelt werden. Forscher verwendeten Drähte mit Längen von 0,2–0,3 mm und Durchmesser von drei bis fünf Mikrometern, das Gerät könnte jedoch auf kleinere Größe skaliert werden.[118]

ZnO als Anode der Li-Ionen-Batterie

In Form eines dünnen Films wurde ZnO in miniaturisierten Hochfrequenzdünnfilmresonatoren, Sensoren und Filtern demonstriert.

Li-Ionen-Batterie und Superkondensatoren

ZnO ist ein vielversprechendes Anodenmaterial für Litium-Ionen-Batterie Weil es billig, biokompatibel und umweltfreundlich ist. ZnO hat eine höhere theoretische Kapazität (978 mAh G.–1) als viele andere Übergangsmetalloxide wie COO (715 mAh G.–1), Nio (718 mah g–1) und cuo (674 mah g–1).[119] ZnO wird auch als Elektrode in Superkondensatoren verwendet.[120]

Sicherheit

Als ein Lebensmittelzusatz, Zinkoxid steht auf der Liste der US -FDAs von der US -amerikanischen FDA generell als sicher anerkanntoder Gras, Substanzen.[121]

Zinkoxid selbst ist ungiftig; Es ist jedoch gefährlich, Zinkoxid -Dämpfe einzuatmen, wie z. B. erzeugt, wenn Zink- oder Zinklegierungen bei hoher Temperatur geschmolzen und oxidiert werden. Dieses Problem tritt beim Schmelzen von Legierungen auf Messing Weil der Schmelzpunkt von Messing nahe am Siedepunkt von Zink liegt.[122] Exposition gegenüber Zinkoxid in der Luft, die auch beim Schweißen verzinkt (Zinkplatt) Stahl, kann zu einer Krankheit führen, die genannt wird Metallrauchfieber. Aus diesem Grund wird typischerweise verzinkter Stahl nicht geschweißt, oder das Zink wird zuerst entfernt.[123][zweifelhaft ]

Forscher, die an der Sicherheit von Zinkoxid in Sonnenschutzmitteln arbeiten Embryonale Zebrafisch -Assays.[124]

Siehe auch

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Zitierte Quellen

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