Ein einfacher Ansatz zur Herstellung von Zinkoxid in Nanogröße in Wasser/Glycerin mit extrem konzentrierten Zinkquellen

Hintergrund

Zinkoxid (ZnO)-Nanopartikel sind eines der wichtigsten multifunktionalen Halbleitermaterialien für Anwendungen in elektronischen und optoelektronischen Geräten [1], Solarzellen [2], Feldemissionsgeräten [3], Sensoren [4] und Photokatalysatoren [5] . ZnO-Nanopartikel sind auch allgemein als sicher und biokompatibel anerkannt und wurden als Wirkstoffträger und medizinische Füllmaterialien [6], Photolumineszenzmittel in Biosensoren [7], UV-Absorber in Sonnencremes und Beschichtungsmaterialien [8] und antibakterielle Wirkstoffe in viele Industrieprodukte [9, 10].

Es wurden viele Methoden entwickelt, um ZnO-Nanopartikel mit unterschiedlichen Größen und Morphologien zu synthetisieren, darunter chemische Gasphasenabscheidung [11], Sol-Gel-Methoden [12], hydrothermale Methoden [13], Laserablation [14], Mikroemulsionstechniken [15] und andere [16]. Aufgrund ihrer großen spezifischen Oberflächen sowie der hohen Oberflächenenergien neigen ZnO-Nanopartikel dazu, leicht zu agglomerieren. Die meisten Ansätze erfordern die Verwendung von Stabilisatoren und niedrigen Konzentrationen von ZnO-Vorstufen [17,18,19,20]. Daher erfordern die meisten Verfahren eine große Menge an Wasser oder organischen Lösungsmitteln. Darüber hinaus treten bei der Verwendung von Wasser in Syntheseprozessen regelmäßig harte Agglomerate auf, die der Anwendung von ZnO-Nanopartikeln entgegenstehen [21]. Für die Herstellung von Metalloxid-Nanopartikeln erwies sich der Polyol-Ansatz als geeignet [22]. ZnO-Nanopartikel wurden erfolgreich in verschiedenen Polyolmedien wie Ethylenglycol (EG) [23], Diethylenglycol (DEG) [24], 1,3-Propandiol (PD) [25], Tetraethylenglycol (TEG) [23] synthetisiert. , und 1,4-Butandiol (BD) [26]. Die Nukleation und das Wachstum von ZnO-Nanopartikeln wurden in einem hochsiedenden Polyol durchgeführt. Das Polyol dient sowohl als Lösungsmittel als auch als Stabilisierungsmittel, um die Agglomeration von Nanopartikeln zu verhindern. Chieng und Loo stellten ZnO-Nanopartikel unterschiedlicher Größe und Form her, indem sie 1 mol/l (M) Zinkacetat (Zn(CH₃ .) COO)₂ ) in EG, DEG und TEG bei 160 °C für 12 h. Sie fanden heraus, dass die durchschnittliche Partikelgröße von synthetisiertem ZnO mit zunehmender Glykolkettenlänge zunahm. Die Form der ZnO-Nanopartikel änderte sich von kugelförmig (EG), über kugelförmig und stäbchenförmig (DEG) bis hin zu „diamantartigen“ Strukturen (TEG) [23]. Mezni et al. präparierte ZnO-Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser von 5 nm unter Verwendung von 1,3-Propandiol als Lösungsmittel und 1,2 mM Zn(CH₃ COO)₂ als Vorstufe bei 160 °C für 1 h. 1,3-Propandiol spielt auch die Rolle des Stabilisators und des Templats [25]. Die Nachteile des Polyolverfahrens sind die geringen Konzentrationen an ZnO-Vorstufen und die hohen Temperaturen der Reaktionssysteme.

ZnCl₂ ist ein in Wasser gut lösliches Salz; seine Löslichkeit beträgt 432 g/100 g Wasser bei 25 °C (höchste Konzentration bis 81,2 Gew.-%) [27]. Darüber hinaus ist es eine ZnO-Vorstufe. Wenn ZnO in Nanogröße aus konzentriertem ZnCl₂ . gewonnen werden könnte wässriger Lösung können viele Probleme gelöst werden, wie die Bildung harter Agglomerate und die Verwendung einer wässrigen Umgebung. In unserer vorherigen Studie konnten ZnO-Nanopartikel durch in-situ-Synthese von ZnO in gelöster Stärke oder Cellulose durch hochkonzentriertes ZnCl₂ . hergestellt werden wässrige Lösung (z. B. 65 Gew. % ZnCl₂ wässrige Lösung) [28, 29]. In solchen Prozessen müsste jedoch Stärke oder Zellulose durch konzentriertes ZnCl₂ . gelöst werden wässrige Lösung bei ~ 80 °C für ca. 2 h. Um den Syntheseprozess in einem Schritt mit einer hohen Konzentration an ZnO-Vorläufern bei Raumtemperatur und in einer kurzen Reaktionszeit einfacher durchzuführen, wurde Glycerin als Stabilisator in einem hochkonzentrierten ZnCl₂ . verwendet wässrige Lösung zur Erzeugung von ZnO-Nanopartikeln in dieser Studie. Glycerin ist ein umweltfreundliches Polyol mit hoher Wasserlöslichkeit. Es wurde jedoch selten bei der Synthese von ZnO-Nanopartikeln eingesetzt [22,23,24,25,26, 30]. Daher konzentriert sich unsere Studie auf die Korrelationen zwischen der ZnO-Nanopartikelgröße und der Morphologie sowie der Konzentration von ZnCl₂ Lösungen, Molverhältnisse von Glycerin/Zn ²⁺ und Arten von Hydroxiden. Darüber hinaus wurde bisher einem einfachen Weg zur Herstellung von ZnO-Nanopartikeln in einem Wasser/Glycerin-System, bei dem Wasser als Lösungsmittel und Glycerin sowohl als Stabilisator als auch als Templat fungiert, wenig Aufmerksamkeit gewidmet. Die Synthese wurde einfach in einem Schritt mit hohen Konzentrationen an ZnO-Vorstufen (ZnCl₂ und wässrige NaOH-Lösungen bis zu 80 bzw. 50 Gew.-% in Wasser) und unter milden Reaktionsbedingungen wie Raumtemperatur und einer kurzen Reaktionszeit (10 Minuten). Darüber hinaus konnten Größe und Morphologie von ZnO-Nanopartikeln durch die Menge an Glycerin und die Konzentration von ZnCl₂ . gesteuert werden Lösungen.

Methoden/Experimental

Materialien

ZnCl₂ , NaOH, KOH, LiOH, Ammoniakwasser und Glycerin von analytischer Qualität (Nanjing Chemical Reagens Factory, China) wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

Vorbereitung des ZnO-Nanopartikels

Zuerst wurde Glycerin zu ZnCl₂ . hinzugefügt wässrige Lösungen mit einem bestimmten Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ . Dann wurde dem ZnCl₂ . eine alkalische Lösung zugetropft -Glycerinlösung bei Raumtemperatur unter kontinuierlichem mechanischem Rühren, um einen endgültigen pH-Wert von 12 zu erreichen, wonach die Reaktion 5 Minuten fortgesetzt wurde, die Bedingungen zur Herstellung der ZnO-Nanopartikel wurden Tabelle 1 entnommen. Am Ende der Reaktion ein weißes Emulsion entstand. Die weißen Emulsionen wurden zweimal mit Wasser bzw. Ethanol gewaschen und zentrifugiert (6000 U/min, 10 min). Nach dem Trocknen in einem Ofen bei 80 °C wurden die ZnO-Nanopartikel erhalten.

Charakterisierung von ZnO-Nanopartikeln

Die Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurden unter Verwendung eines Röntgenbeugungsmessers (Ultima IV, Japan) aufgezeichnet. Die Morphologie der ZnO-Nanopartikel wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) (JSM-7600F; JEOL, Tokio, Japan) und einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) (JEM-2100, JEOL, Japan) untersucht. Eine Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) (AXIS Ultra DLD-System, UK) wurde verwendet, um die chemischen Bindungszustände von Zn und O zu identifizieren. Das UV-Spektrum der ZnO-Nanopartikel wurde mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (Lambda 950, Perkin Elmer, USA) und die maximale Anregungswellenlänge betrug 325 nm.

Ergebnisse und Diskussion

Der Einfluss des Molverhältnisses von Glycerin zu Zn ²⁺ zur Größe und Morphologie von ZnO-Nanopartikeln

Zunächst wurde die Rolle von Glycerin bei der Synthese von ZnO-Nanopartikeln untersucht. Der Einfluss des Molverhältnisses von Glycerin zu Zn ²⁺ zur Morphologie von ZnO-Nanopartikeln untersucht. Abbildung 1 zeigt die Wirkung des Molverhältnisses von Glycerin zu Zn ²⁺ zur Morphologie von ZnO-Nanopartikeln, da die Reaktanten 65 Gew. % ZnCl₂ . waren und 50 Gew.-% NaOH in Wasser. Anscheinend waren die Größen der ohne Glycerin hergestellten ZnO-Nanopartikel (Abb. 1a) viel größer als die, die mit Glycerinstabilisator (Abb. 1b–e) unter derselben Konzentration von ZnCl₂ . hergestellt wurden . Die ohne Glycerin hergestellten ZnO-Nanopartikel erwiesen sich als heterogen (Abb. 1a). Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass Glycerin als Stabilisator eine wichtige Rolle bei der Bildung von ZnO-Nanostrukturen spielte. Wenn das Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ 0,33 war, bestand das erhaltene ZnO aus wenigen kugelförmigen Partikeln und vielen ZnO-Stäbchen mit einer Länge von ungefähr 180 nm und einem Durchmesser von 30 nm; das Aspektverhältnis der stäbchenförmigen ZnO-Nanopartikel betrug ungefähr 6 (Abb. 1b). Wenn das Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ auf 1 und 1,67 erhöht, war das erhaltene ZnO kugelförmig mit einem Durchmesser von ungefähr 40–80 nm bzw. 30–60 nm (Abb. 1c und Abb. 1d). Darüber hinaus wurden einheitliche und kugelförmige ZnO-Nanopartikel mit einem Durchmesser von ungefähr 20 nm bei einem 3,33 Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ . erhalten (Abb. 1e). Daraus lässt sich schließen, dass Glycerin eine wichtige Rolle bei dem in dieser Arbeit beschriebenen Syntheseverfahren spielte.

REM-Aufnahmen von ZnO-Nanopartikeln aus 65 % ZnCl₂ wässrige Lösung unter den verschiedenen Molverhältnissen von Glycerin zu Zn ²⁺ (a , 0:1; b , 0,33:1; c , 1:1; d , 1,67:1; e , 3.33:1) und (f ) die Statistiktabelle zur Morphologie und Größe von ZnO-Nanopartikeln (g ^* :kugelförmig, r ^# :Stange)

Wenn die Konzentration von Zinkionen und OH ⁻ Ohne Stabilisator würden übersättigte ZnO-Kerne leichter aggregieren und größere und heterogene ZnO-Nanopartikel wachsen lassen (siehe Abb. 2(I)). Glycerin hat drei Hydroxylgruppen, mit denen die Zinkionen interagieren können, um einen Zink-Glycerin-Komplex zu bilden. Bei Zugabe von NaOH-Lösung reagiert der Zink-Glycerin-Komplex mit OH ⁻ um Zn(OH)₄ . zu bilden ²⁻ um die Hydroxylgruppen von Glycerin. Dann Zn(OH)₄ ²⁻ dehydratisiert in der Nähe des Glycerins zu ZnO. In der Zwischenzeit verursacht die hohe NaOH-Konzentration (50 Gew.-%) einen Ausbruch der anfänglichen homogenen Nukleation von ZnO-Kristallen, und die übersättigten ZnO-Kerne aggregieren in der Nähe des Glycerins, das als Stabilisator wirkt. Wie aus Abb. 2(II) ersichtlich, war bei einem niedrigen Glyceringehalt im Glycerin/Wasser-System die Blockierungswirkung von Glycerin verringert, was bedeutet, dass weniger Glycerin das Wachstum und die Agglomeration von ZnO im Reaktionssystem verhindert, die resultierenden ZnO-Nanopartikel waren ungleichmäßig und hatten eine größere Größe. Bei einem hohen Glyceringehalt reduzierte die Kombination der Hydroxylgruppen von Glycerin und Zinkionen die Konzentration an ungebundenen Zinkionen stark. Die Zunahme der Blockierungswirkung von Glycerin bewirkt, dass ZnO viel gleichmäßiger ist und die kleinste Größe aufweist (siehe Abb. 2(III)). Tatsächlich könnten die Morphologien von ZnO durch das Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ . gesteuert werden . Kurz gesagt, Glycerin wirkt als Agglomerationshemmer und als Stabilisator von nanoskaligem ZnO unter der Bedingung einer extrem konzentrierten Zinkquelle und einer alkalischen Lösung.

Schematische Darstellung der Rolle von Glycerin im Syntheseprozess von ZnO-Nanopartikeln

ZnO-Nanopartikel wurden durch TEM, XPS, XRD und UV-sichtbare Spektrophotometrie charakterisiert. Abbildung 3 zeigt, dass hauptsächlich ZnO-Stäbchen (mit einigen kugelförmigen Partikeln) aus dem 0,33 Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ . erhalten wurden in einer Konzentration von 65 Gew. % ZnCl₂ . Die ZnO-Stäbe hatten einen großen Längenbereich von 20 bis 160 nm, und zwar aufgrund des ungleichmäßigen Richtungswachstums, das dabei auftrat. Kugelförmige ZnO-Partikel mit einem Durchmesser von ungefähr 40–50 nm wurden erhalten, wenn das Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ war 1 und die Konzentration von ZnCl₂ betrug 65 Gew.-% in wässriger Lösung. Darüber hinaus wurden aus dem 3,33-Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ . einheitliche und kugelförmige ZnO-Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 15–25 nm erhalten wenn die Konzentration von ZnCl₂ wässrige Lösung betrug 65 Gew.-%. Diese Ergebnisse stimmten mit den SEM-Ergebnissen überein (Abb. 1). Weiterhin wurde bestätigt, dass Glycerin einen wichtigen Einfluss auf die Herstellung von ZnO-Nanopartikeln hat. Darüber hinaus könnten ZnO-Nanopartikel in Gegenwart von Glycerin mit relativ hochkonzentriertem ZnCl₂ . erzeugt werden wässrige Lösung bei Raumtemperatur.

TEM-Bilder von ZnO-Nanopartikeln, erhalten aus den verschiedenen Molverhältnissen von Glycerin zu Zn ²⁺ (a , 0,33:1; b , 1:1; c , 3.33:1). a-1, a-2 entsprechendes Histogramm von (a ) Probe; b-1, c-1 entsprechendes Histogramm von (b ) und (c ) Probe bzw.

Die Elementzusammensetzung und die chemische Bindung der ZnO-Proben wurden mit der XPS-Technik weiter analysiert, wie in Abb. 4 gezeigt. Zn 3d-, Zn 3p-, Zn 3 s-, Zn Auger- und Zn 2p-Peaks wurden neben den C1s- und O1s-Peaks identifiziert in Abb. 4a. Die Existenz des C1s-Peaks zeigte wenig restliches Glycerin in den drei ZnO-Nanopartikeln. Das Zn 2p-Spektrum zeigt ein Dublett (Abb. 4b), das als Zn 2p3/2- bzw. Zn 2p1/2-Linien identifiziert werden kann. Die Bindungsenergieunterschiede zwischen den beiden Linien betragen 23,0 eV (vom Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ 0,33:1 und 3,33:1) oder 23,1 eV (vom Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ 1:1), was bestätigt, dass sich die Zn-Atome in allen Proben in einem vollständig oxidierten Zustand befinden. Abbildung 4c zeigt die hochauflösenden XPS-Spektren von O1s von ZnO. Bei stabförmigen oder kugelförmigen ZnO-Partikeln werden alle Peaks bei etwa 530,4 eV den oxidierten Metallionen in den Nanopartikeln zugeschrieben, nämlich O-Zn im ZnO-Gitter.

XPS-Spektren von ZnO-Nanopartikeln, erhalten aus den verschiedenen Molverhältnissen von Glycerin zu Zn ²⁺ (a , weit; b , Zn-2p; c , O-1s)

In Abb. 5a sind nur Beugungspeaks zu sehen, die für die Wurtzit-ZnO-Kristallstruktur typisch sind. Die UV-Vis-Absorptionsspektren der ZnO-Nanopartikel sind in Abb. 5b dargestellt. Die ZnO-Nanopartikel zeigten eine breite und starke Absorption mit einem Maximum bei etwa 380 nm. Die Abbildung zeigt, dass reines ZnO in Nanogröße aus einer konzentrierten Zinkquelle und einem Glycerinstabilisator und -Templat hergestellt werden konnte. Darüber hinaus besitzen die ZnO-Nanopartikel UV-blockierende Eigenschaften. Daher haben die nach unserem Ansatz hergestellten ZnO-Nanopartikel eine potenzielle Anwendung in Sonnencremes oder Beschichtungsmaterialien.

XRD-Muster (a ) und UV-Vis-Absorptionsspektrum (b ) von ZnO-Nanopartikeln

Der Einfluss der Konzentration von ZnCl₂ Wässrige Lösungen zur Größe und Morphologie von ZnO-Nanopartikeln

Kugelförmige ZnO-Nanopartikel könnten aus 65 und 50 Gew.-% ZnCl₂ . hergestellt werden bzw. wässrige NaOH-Lösungen mit einem Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ . von 1:1 (Abb. 1c). Um den Einfluss der Konzentration von ZnCl₂ . zu untersuchen auf ZnO-Nanopartikelgröße und -morphologie, 50 Gew.-% NaOH-Lösung und ein Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ von 1:1  beschäftigt waren.

Abbildung 6 zeigt, dass die Konzentration von ZnCl₂ in Lösung hatte einen offensichtlichen Einfluss auf die Form und Größe von ZnO-Nanopartikeln. Die Form von ZnO änderte sich von Stäbchen zu Kugeln mit der Konzentration von ZnCl₂ unter Obstruktion mit Glycerin als Stabilisator erhöht. Bei dem vorgestellten Ansatz wurde die Form der ZnO-Nanopartikel verändert und die Partikelgröße verringert, wenn die Konzentration von ZnCl₂ wässrige Lösung wurde erhöht (mit anderen Worten, das Hydratationsverhältnis wurde verringert). Die in diesem System erhaltenen Ergebnisse zeigen Glycerin als Stabilisator, da sonst das homogene ZnO-Nanopartikel nicht aus einer so hochkonzentrierten Zinkquelle hergestellt werden kann (siehe Abb. 1a). Für eine Konzentration von 50 Gew.-% ZnCl₂ (Hydratationsverhältnis von 7,56), die erhaltenen ZnO-Stäbe hatten eine Länge von etwa 130 nm und einen Durchmesser von 30–70 nm (Abb. 6a). Wenn die Konzentration von ZnCl₂ wässrige Lösung auf 65 Gew. % erhöht (Hydratationsverhältnis auf 4,07 verringert), das erhaltene ZnO war kugelförmig mit einem Durchmesser von etwa 40–80 nm (Abb. 6b). Darüber hinaus wurden, wie in Abb. 6c gezeigt, einheitliche und kugelförmige ZnO-Nanopartikel mit einem Durchmesser von ungefähr 40 nm aus 80 Gew.-% ZnCl₂ . erhalten wässrige Lösung (Hydratationsverhältnis von 1,89). Tatsächlich könnten die Morphologien von ZnO durch die Konzentration von ZnCl₂ . gesteuert werden wässrige Lösung (oder das Hydratationsverhältnis). Die Ergebnisse stimmen mit denen von Poul et al. [31]. In ihrem Polyolverfahren diente DEG jedoch als Lösungsmittel, und es wurde eine niedrige Konzentration an ZnO-Vorläufern (weniger als 0,3 M) beim Siedepunkt von DEG verwendet. Darüber hinaus wurden ungleichmäßige und größere ZnO-Nanopartikel in Abwesenheit von Glycerin bei einer ZnCl₂ .-Konzentration von 65 Gew.-% hergestellt (Abb. 1a). In dieser Studie wurde das ZnO-Nanopartikel mit relativ hochkonzentriertem (80 Gew.-%, nämlich 29,3 M) ZnCl₂ . erhalten bei Raumtemperatur. Darüber hinaus verringerte sich in Gegenwart von Glycerin die Größe der ZnO-Nanopartikel mit der Konzentration von ZnCl₂ wässrige Lösung erhöht, was mit den vorherigen Ergebnissen nicht übereinstimmt. Es kann sein, dass die Konzentration von ZnCl₂ (weniger Wasser) in unserem Ansatz zunahm, stiegen die Interaktionsfähigkeiten von Zinkionen und den Hydroxyl-Sauerstoff von Glycerin, was bedeutet, dass die blockierende Wirkung von Glycerin verstärkt wurde, was zu kleineren ZnO-Nanopartikeln führte.

SEM-Bilder von ZnO-Nanopartikeln, die aus den unterschiedlichen Konzentrationen von ZnCl₂ . gewonnen wurden wässrige Lösung mit einem Molverhältnis von 1:1 von Glycerin zu Zn ²⁺ (a , 50 Gew.-%; b , 65 Gew.-%; c , 80 Gew.-%)

Der Einfluss der Hydroxide auf die Größe und Morphologie von ZnO-Nanopartikeln

Der Einfluss der Hydroxidtypen auf die Größe und Morphologie der ZnO-Nanopartikel wurde auch unter Blockierung mit Glycerin als Stabilisator untersucht. Ziel war es, in dieser Studie ZnO-Nanopartikel mit der höchsten Substanzkonzentration herzustellen. Daher gesättigte Lösung von NaOH, KOH, LiOH und NH₄ OH wurden bei Raumtemperatur hergestellt:LiOH mit 8 Gew.-% (3,63 M), NaOH mit 50 Gew.-% (25 M), KOH mit 60 Gew.-% (26,74 M) und Ammoniak mit 25 Gew.-% (9,51 M). Um gleichmäßigere und kleinere ZnO-Nanopartikel zu erzeugen, ist ein Molverhältnis von 3,33:1 von Glycerin zu Zn ²⁺ war angestellt.

Abbildung 7 zeigt REM-Bilder von ZnO-Nanopartikeln, die aus 65 % ZnCl₂ . gewonnen wurden wässrige Lösung durch Reaktion mit verschiedenen Hydroxiden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Hydroxide einen offensichtlichen Einfluss auf die Größe der ZnO-Nanopartikel hatten. Die aus NaOH, KOH, LiOH und NH₄ . erhaltenen ZnO-Nanopartikel OH waren alle körnig und die Größen der ZnO-Nanopartikel betrugen ungefähr 20 nm von NaOH, 50 nm von KOH, 80–150 nm von LiOH und 50–300 nm von NH₄ OH bzw. Es könnte vorgeschlagen werden, dass aufgrund hoher Konzentrationen von ZnCl₂ Lösung (65 Gew.-%) und Hydroxiden war die Bildung von ZnO während der frühen Keimbildungsstufe sehr schnell, wodurch viele ZnO-Kerne in der Nähe von Glycerin erzeugt wurden. Inzwischen sind die Kationen wie Na ⁺ , K ⁺ , Li ⁺ , oder NH₄ ⁺ , könnte eine Passivierungsschicht um die ZnO-Oberfläche bilden, die das Wachstum von ZnO-Nanopartikeln verlangsamt und die Partikelagglomeration verhindert. Die Radienfolge von hydratisierten Kationen ist Li ⁺ > Na ⁺ > NH₄ ⁺ > K ⁺ . Höhere Konzentrationen von K ⁺ oder NH₄ ⁺ als Li ⁺ oder Na ⁺ wurden für die nahezu vollständige Passivierung der ZnO-Oberflächen benötigt. Darüber hinaus betrugen die Sättigungskonzentrationen von LiOH und Ammoniakwasser 3,63 und 9,51 M, was viel niedriger ist als die von NaOH (25 M) und KOH (26,74 M). Die Menge an Li ⁺ und NH₄ ⁺ konnte die nahezu vollständige Passivierung auf den ZnO-Oberflächen nicht bereitstellen, was jedes weitere Wachstum von ZnO-Nanopartikeln hemmte. Darüber hinaus waren die Konzentrationen von LiOH und Ammoniakwasser gering, was bedeutet, dass mehr Wasser die Wechselwirkungsfähigkeiten von Zinkionen und den Hydroxyl-Sauerstoffen des Glycerins reduzierte, was gleichzeitig zu einer Verringerung der Blockierungswirkung von Glycerin führte. Daher werden aus LiOH und NH₄ . erhaltene ZnO-Nanopartikel OH waren größer.

REM-Aufnahmen von ZnO-Nanopartikeln aus 65 % ZnCl₂ wässrige Lösung durch Reaktivität mit verschiedenen Hydroxiden (a , NaOH; b , KOH; c , LiOH; d , NH₄ OH)

Vorbereitung der Obstruktion von ZnO-Nanopartikeln durch Glycerin-, Stärke- oder Cellulosesysteme

In unserer vorherigen Studie wurden ZnO-Nanopartikel durch In-situ-Synthese von ZnO in gelöster Stärke oder Cellulose durch ein hochkonzentriertes ZnCl₂ . hergestellt wässrige Lösung [28, 29]. Das Glycerinsystem wird in dieser Arbeit mit den gelösten Stärke- oder Cellulosesystemen verglichen. Wie aus Abb. 8 ersichtlich, waren die ZnO-Nanopartikel aus allen drei Prozessen kugelförmig. Die aus gelösten Stärke- oder Cellulosesystemen erhaltenen ZnO-Nanopartikel lagen bei 50–60 nm [28] bzw. 40–50 nm [29], während die aus dem Glycerinsystem erhaltenen 15–25 nm betrugen. Aus dem Glycerinsystem konnten einheitlichere und kleinere ZnO-Nanopartikel hergestellt werden. Obwohl es viele Hydroxylgruppen an den Molekülketten von Stärke und Cellulose gibt, gibt es drei Hydroxylgruppen an der Glycerinkette, die Viskositäten der Zink-Cellulose oder des Zink-Stärke-Verbundstoffs sind jedoch höher als die des Zink-Glycerins. So machte die Kolloidmühle den Zink-Glycerin- oder ZnO-Glycerin-Verbund leichter zu kleineren Tröpfchen als ZnO-Cellulose oder ZnO-Stärke, was zu kleineren ZnO-Nanopartikeln führte, die aus dem Glycerinsystem erzeugt wurden.

TEM-Bilder von ZnO-Nanopartikeln aus 65 % ZnCl₂ Verstopfung der wässrigen Lösung durch Glycerin (a ), Stärke (b ) und Zellulose (c ) Systeme

In gelösten Stärke- oder Cellulosesystemen wurde Stärke oder Cellulose in einem hochkonzentrierten ZnCl₂ . gelöst wässrige Lösung, und dann wurden die ZnO-Stärke- oder Cellulose-Nanokomposite erzeugt, wenn die 40 Gew.-%ige NaOH-Lösung zu ZnCl₂ . zugegeben wurde wässrige Lösung. Die ZnO-Nanopartikel wurden durch Kalzinieren der getrockneten ZnO-Stärke oder Cellulose-Nanokomposite erhalten. Für das Glycerinsystem wurde das Glycerin zu einem konzentrierten ZnCl₂ . zugegeben wässrige Lösung. Die ZnO-Nanopartikel wurden leicht erhalten, indem die 50 Gew.-%ige NaOH-Lösung zu Glycerin-ZnCl₂ . zugegeben wurde wässrige Lösung. Daher ist der Prozess mit dem Glycerinsystem einfacher und kostengünstiger.

Schlussfolgerungen

Ungefähr 20 nm große ZnO-Nanopartikel wurden durch ein einfaches Verfahren hergestellt, bei dem wässrige Hydroxidlösungen zu einer Glycerin-Zinkchlorid-Lösung bei Raumtemperatur zugegeben wurden, um den pH-Wert mit einer extrem konzentrierten Zinkquelle auf 12 einzustellen. Die Morphologien von ZnO könnten durch das Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ . gesteuert werden , die Art des Hydroxids und die Konzentration von ZnCl₂ wässrige Lösung. Das Glycerin wirkte während des Syntheseprozesses als Stabilisator; seine blockierende Wirkung wird verstärkt, wenn die Konzentration von ZnCl₂ wässrige Lösung oder das Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ erhöht. Die Form von ZnO änderte sich von Stäbchen zu Kugeln und die Partikelgröße nahm mit der Konzentration von ZnCl₂ . ab wässrige Lösung oder das Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ erhöht. Unter optimalen Bedingungen wurde kugelförmiges ZnO mit einem Durchmesser von etwa 40–80 nm aus einem ZnCl₂ . gewonnen wässrige Lösung mit einer Konzentration von 65 Gew.-% und einem Molverhältnis von Glycerin zu Zn ²⁺ von 1:1  . Darüber hinaus hatten die Hydroxide auch einen offensichtlichen Einfluss auf die Größe der ZnO-Partikel. Die körnigen ZnO-Nanopartikel mit Durchmessern von etwa 20 oder 50 nm könnten aus NaOH- bzw. KOH-Lösungen mit Sättigungskonzentrationen bei Raumtemperatur erzeugt werden. Diese Studie schlug daher einen einfachen und größenkontrollierbaren Prozess für die Synthese von ZnO-Nanopartikeln vor.

Abkürzungen

BD:

1,4-Butandiol

DEG:

Diethylenglykol

ZB:

Ethylenglykol

i-PrOH:

Isopropanol

PD:

1,3-Propandiol

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TEG:

Tetraethylenglykol

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

XRD:

Röntgenbeugungsmuster

ZnO:

Zinkoxid