一文了解表面活性剂在纳米氧化锌制备中的应用
2020-12-18 17:41:24
纳米ZnO粉体具有独特的光学、电学、力学和磁学等方面的性能，广泛应用在催化剂、光电子、微电子、磁学和生物学等领域。然而，纳米ZnO粉体表面由于其巨大的表面能，导致颗粒很容易团聚在一起，严重影响最终产品的性能。如何防止团聚是制备纳米ZnO的关键性问题之一，下面小编介绍通过在反应体系中加入表面活性剂对粉体表面进行修饰改性，制备粒度分布均匀、分散性好的纳米ZnO粉体。
一、表面活性剂概述
1、表面活性剂定义
表面活性剂是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列并使 表面张力显著下降的物质。表面活性剂分子结构特点是：
（1）具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为憎水基团。
（2）亲水基团常为极性的基团，而憎水基团常为非极性烃链.
（3）两端为不对称的分子结构。
表面活性剂通过亲/疏水作用可自组装形成不同的聚集体。在油－水－表 面活性剂－助表面活性剂体系中，当表面活性剂浓度较低时，形成的是乳状液；当浓度超过临界胶束浓度（CMC）时，表面活性剂分子聚集成胶束；当浓度进一步增大时，即可形成微乳液；当分散相浓度达到40%～50% 时，则由微乳液的球形胶束转变为棒状、层状等胶束。
表面活性剂的不同胶束状态
2、表面活性剂作用
表面活性剂分子具有自组装效应和立体几何效应，在纳米粉体制备过程中加入表面活性剂的作用是：
（1）降低表面张力，减少表面能，保持分散体系相对稳定。
（2）对纳米粉体的尺寸和形貌进行调控。
在纳米材料合成中常用的表面活性剂分为：离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。常用离子型表面活性剂主要有十二烷基硫酸钠、十六烷三甲基溴化铵等；非离子型表面活性剂主要有聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等。
二、表面活性剂在纳米ZnO合成与制备中应用
1、离子型表面活性剂
离子型表面活性剂是指溶解于水能够发生电离的表面活性剂。它的模板作用主要表现为表面活性剂中的亲水基团与无机化合物之间通过静电作用力相互结合，从而吸附到颗粒的表面，诱导晶体的生长，阻止粒子间的团聚。
（1）阴离子表面活性剂
阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠辅助下成功制备了针状、花状纳米氧化锌。在没有表面活性剂存在时产物形貌为棒状，说明表面活性剂在形成各种形貌纳米粉体材料的过程中起到了关键作用。
（2）阳离子表面活性剂
阳离子表面活性剂十六烷三甲基溴化铵与前驱体的静电作用制备出分散性较好的花状纳米氧化锌微结构。
不同离子型表面活性剂制备纳米ZnO粉体表面形貌SEM图
（左图为六角型圆筒纳米ZnO双晶微结构；右图为ZnO纳米梭形貌）
2、非离子型表面活性剂
非离子表面活性剂的模板作用主要表现为表面活性剂中的亲水基团和无机化合物表面羟基基团通过氢键作用力相互结合，从而诱导晶体的成核和生长，得 到不同形貌的纳米材料。利用不同分子量的非离子型聚合物聚乙烯醇作为大分子表面活性剂，在特定的胶束浓度范围和介质体系中形成超分子模板，即“微反应器”，可以制备出球形、针棒状纳米氧化锌和均匀分散的六角形、片状、螺旋棒状的纳米、亚微米氧化锌材料。
四针状纳米氧化锌形貌SEM图
不同非离子型表面活性剂制备纳米ZnO粉体表面形貌SEM图
三、表面活性剂对纳米ZnO粉体性能的影响
表面活性剂在纳米粉体材料制备领域起着不可或缺的作用。表面活性剂分子在一定条件下可以有序排列形成各种结构的表面活性剂分子有序聚集体。通过自组装所形成的聚集体系为化学反应提供了特殊环境，可作为“微反应器”或模板制备出各种结构和形貌的纳米材料。纳米材料的结构和形貌不同，其性能也将发生很大变化。
1、纳米ZnO光学性能的影响
采用不同表面活性剂如：甲基纤维素、SDS、酪蛋白乙酞苯胺和三聚磷酸钠等，制备了ZnO纳米粒及菜花状、针状和片状纳米ZnO形貌，其不同形貌的纳米ZnO光致发光强度和禁带宽度发生了改变以及PL光谱发生蓝移现象。
片状纳米ZnO形貌SEM图片
2、纳米ZnO气体传感性能的影响
采用十二烷基硫酸钠作为表面活性剂，通过溶胶－凝胶法获得量子尺寸的ZnO纳米粒，其不仅在NO2气体传感测试方面具有较高的响应，而且在最佳操作温度（290℃）时对CO和CH4也表现出较高的选择性。
纳米ZnO在气体传感器领域应用
3、纳米ZnO抗菌活性影响
表面活性剂聚乙烯醇和聚L-谷氨酸对纳米氧化锌的抗菌活性具有显著影响，在加入表面活性剂聚乙烯醇时所获得的球状ZnO纳米粉体具有最高的抗菌活性。
纳米ZnO抗菌性能示意图
：李波涛
参考文献：1、刘雪宁，杨治中等，高分子模板法合成特殊形态的氧化锌纳米结构材料，《化学通报》。
2、范学运，王艳香，余 熙等，表面活性剂对水热合成纳米氧化锌粉性能的影响，《中国陶瓷》。