氧化锌

氧化锌（英文：Zinc oxide）化学式ZnO，是一种无机化合物，由锌和氧元素组成。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^[3]。氧化锌是一种反磁性物质，即不会被磁化^[4]。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^[2]。氧化锌是一种相对安全的化合物^[1]。

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^[5]。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^[6]。

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^[7]，其电导率可以通过掺杂其他材料来调节^[8]，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^[9]。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^[10]，但是通过掺铝后，可以变成透明材料^[11]。热膨胀系数比较低，因此在高温环境下具有较好的稳定性^[12]。

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^[13]。

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^[14]。

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^[15]。

电解：氧化锌可以被还原为金属锌，例如在电还原过程中^[16]。

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℃^[17]，将锌蒸汽通入空气进行氧化，得到氧化锌^[18]。

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^[19]。

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^[20]。 

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^[21]。

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^[22]。

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^[23]。

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^[24]。

氧化锌也是通过在乳液体系中沉淀获得的，其中醋酸锌用作ZnO前驱体，氢氧化钾或氢氧化钠作为沉淀剂。作为有机相的环己烷wán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^[25]。

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^[26]。

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 ^[27]。

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^[2]。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^[28]。氧化锌还可以作为糊剂，用于牙齿修复^[29]。

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^[30]。

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^[31]。

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）^[32]。氧化锌也用于气体传感器^[33]。氧化锌在电子产品中最重要的应用之一是生产变阻器。这些电阻器具有非线性电流-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^[34]。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^[35]。

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^[36]。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^[37]。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^[38]。

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^[1]，避免吸入氧化锌粉尘和气体，如必须吸入，应佩戴防护口罩^[1]。

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^[1]。