นาโนซิงค์ออกไซด์ (nano-ZnO) เป็นวัสดุนาโนเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่วงพลังงานห่างสูง มีคุณสมบัติเด่นทางโฟโตคาทาลิติก ต้านแบคทีเรีย การป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลต ผลิตไฟฟ้าจากแรงกด และคุณสมบัติทางไฟฟ้า โดยได้รับประโยชน์จากขนาดอนุภาคที่เล็กพิเศษ พื้นที่ผิวเฉพาะที่ใหญ่ และกิจกรรมผิวที่เหนือกว่า ทำให้มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น สารเคลือบ ผลิตภัณฑ์ยาง ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุทางการแพทย์และชีวการแพทย์ การเร่งปฏิกิริยาเพื่อสิ่งแวดล้อม และอุตสาหกรรมอื่นๆ อีกมากมาย ประสิทธิภาพโดยรวมของผลิตภัณฑ์ nano-ZnO ขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตเป็นหลัก และผลิตภัณฑ์ที่ได้จากเทคนิคการสังเคราะห์ที่แตกต่างกันจะมีความแตกต่างอย่างมากในด้านความสม่ำเสมอของขนาดอนุภาค การกระจายตัว ความบริสุทธิ์ทางเคมี และความสามารถในการควบคุมรูปร่าง.
เส้นทางการสังเคราะห์ nano-ZnO ที่มีอยู่ในปัจจุบันโดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสามกลุ่มหลัก ได้แก่ การสังเคราะห์ในเฟสก๊าซ การสังเคราะห์ในเฟสของแข็ง และการสังเคราะห์ในเฟสของเหลว ในจำนวนนี้ การเตรียมในเฟสของเหลวถือเป็นทางเลือกหลักสำหรับการวิจัยในห้องปฏิบัติการและการผลิตเชิงพาณิชย์ เนื่องจากเงื่อนไขการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรง โครงสร้างอุปกรณ์ที่เรียบง่าย ต้นทุนการผลิตที่ควบคุมได้ และคุณภาพผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ เทคโนโลยีในเฟสของเหลวที่เป็นตัวแทน ได้แก่ การสังเคราะห์แบบไฮโดรเทอร์มอล/โซลโวเทอร์มอล การสังเคราะห์แบบโซล-เจล และการตกตะกอนทางเคมี.
-
การสังเคราะห์แบบไฮโดรเทอร์มอลและโซลโวเทอร์มอล
การสังเคราะห์แบบไฮโดรเทอร์มอลและโซลโวเทอร์มอลดำเนินไปผ่านปฏิกิริยาเคมีภายในเครื่องปฏิกรณ์เฟสของเหลวที่ปิดสนิทภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง ซึ่งให้ความเร็วในการเกิดปฏิกิริยาที่เร่งขึ้นอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับวิธีการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิปกติและความดันบรรยากาศ เส้นทางไฮโดรเทอร์มอลใช้น้ำปราศจากไอออนเป็นตัวกลางปฏิกิริยา ขณะที่การสังเคราะห์แบบโซลโวเทอร์มอลพัฒนามาจากเทคโนโลยีไฮโดรเทอร์มอลโดยใช้ตัวทำละลายอินทรีย์หรือสารละลายที่ไม่ใช่น้ำเป็นตัวกลางปฏิกิริยา ซึ่งขยายขอบเขตระบบปฏิกิริยาที่สามารถใช้งานได้อย่างมาก สามารถผลิต nano-ZnO ที่มีผลึกสูงได้ที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ และสามารถปรับเปลี่ยนลักษณะไมโครของผลิตภัณฑ์ได้โดยการปรับพารามิเตอร์สำคัญ เช่น ความดันของระบบ ค่า pH และอุณหภูมิในการเกิดปฏิกิริยา.
ข้อดีทางเทคนิค
คริสตัลที่สังเคราะห์ขึ้นมามีผลึกสูง ข้อบกพร่องทางไมโครโครงสร้างน้อย การกระจายตัวของอนุภาคสม่ำเสมอ และการเกาะตัวกันแทบไม่มีเลย ทำให้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมีกิจกรรมระดับนาโนที่ยอดเยี่ยม การควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการที่ยืดหยุ่นช่วยให้สามารถควบคุมขนาดเกรนผลึกและลักษณะไมโครได้อย่างแม่นยำ สภาพแวดล้อมการเกิดปฏิกิริยาที่ปิดสนิทช่วยลดการปนเปื้อนจากสิ่งแปลกปลอม เพื่อรับประกันความบริสุทธิ์สูงของผลิตภัณฑ์ การตกผลึกในสถานที่ภายใต้ความร้อนที่ไม่รุนแรงช่วยยับยั้งการเติบโตของเกรนมากเกินไปและการเสื่อมสภาพของกิจกรรมผิวที่ตามมา.
ข้อเสียทางเทคนิค
ภาชนะปฏิกิริยาความดันสูงเฉพาะทางทำให้ต้องลงทุนด้านฮาร์ดแวร์ในการผลิตสูงมาก รอบปฏิกิริยาแต่ละครั้งยาวนาน จำกัดกำลังการผลิตโดยรวม คุณภาพผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมีความไวต่อการผันผวนของพารามิเตอร์เล็กน้อย ทำให้ต้องมีความแม่นยำสูงในการดำเนินการทดลอง และจำกัดการผลิตในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่.
-
การสังเคราะห์แบบโซล-เจล
เส้นทางการเตรียมนี้ใช้สังกะสีอัลกอกไซด์หรือเกลือสังกะสีอนินทรีย์เป็นวัตถุดิบตั้งต้น ซึ่งกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในระบบตัวทำละลายอินทรีย์ เพื่อเข้าสู่ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสและโพลีคันเดนเซชันในเฟสของเหลวจนเกิดเป็นโซลคอลลอยด์ใสที่เสถียร การระเหยของตัวทำละลายที่ตามมาจะเปลี่ยนโซลให้กลายเป็นเจลแข็ง และ nano-ZnO ที่ต้องการจะได้มาในที่สุดหลังจากการอบแห้งและเผาที่อุณหภูมิสูงของเจลตั้งต้น.
ข้อดีทางเทคนิค
การผสมผสานระดับโมเลกุลระหว่างวัตถุดิบตั้งต้นทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง การกระจายตัวขององค์ประกอบสม่ำเสมอ และมีสิ่งปนเปื้อนน้อยที่สุด การสังเคราะห์ในระยะแรกดำเนินไปภายใต้สภาวะแวดล้อมที่ไม่รุนแรง ใช้เงื่อนไขการลงทุนด้านอุปกรณ์ต่ำ ความสามารถในการสร้างผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายช่วยให้สามารถผลิต nano-ZnO ในรูปแบบผง ฟิล์มบาง และสารเคลือบได้ การกระจายตัวของขนาดเกรนที่สม่ำเสมอช่วยรับประกันประสิทธิภาพนาโนที่คงที่ของวัสดุสำเร็จรูป.
ข้อเสียทางเทคนิค
วัตถุดิบตั้งต้นคุณภาพสูงทำให้ต้นทุนวัตถุดิบสูงขึ้น รอบกระบวนการทั้งหมดยาวนาน ขัดขวางการผลิตจำนวนมาก ขนาดเกรนที่เกาะตัวกันมีแนวโน้มเกิดขึ้นระหว่างการเผาที่มีข้อผิดพลาดต่ำมาก.
-
การสังเคราะห์แบบตกตะกอนทางเคมี
การสังเคราะห์แบบตกตะกอนทางเคมีมีขั้นตอนการทำงานที่เรียบง่าย โดยแบ่งออกเป็นการตกตะกอนโดยตรงและการตกตะกอนแบบโฮโมเจนัส ในขั้นตอนนี้ สารละลายตัวทำให้ตกตะกอนจะถูกผสมกับสารละลายเกลือสังกะสีที่ละลายน้ำได้ ซึ่งไอออนสังกะสีอิสระในเฟสของเหลวจะจับกับไอออนที่ปล่อยออกมาจากสารตกตะกอนจนเกิดสารตั้งต้นที่ไม่มีรูปทรงผลึกอย่างรวดเร็ว ได้แก่ สังกะสีไฮดรอกไซด์และสังกะสีคาร์บอเนตเบส.
การตกตะกอนโดยตรงมีการเกิดนิวเคลียสไอออนิกที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งมักทำให้ขนาดเกรนไม่สม่ำเสมอและเกิดการเกาะตัวกันของอนุภาคอย่างรุนแรง ในทางตรงกันข้าม การตกตะกอนแบบโฮโมเจนัสใช้สารตกตะกอนที่ปล่อยสารออกฤทธิ์อย่างช้าๆ เพื่อค่อยๆ ปล่อยไอออนที่มีปฏิกิริยา ขจัดภาวะอิ่มตัวของไอออนในบริเวณที่จำกัด ทำให้เกิดการเกิดนิวเคลียสที่สม่ำเสมอและให้ประสิทธิภาพผลิตภัณฑ์ที่เหนือกว่าการตกตะกอนโดยตรง สารตั้งต้นทั้งสองชนิดไม่มีโครงสร้างผลึก ZnO ที่สมบูรณ์ และจำเป็นต้องเผาที่อุณหภูมิ 400–600 ℃ เพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนที่เหลืออยู่ผ่านการสลายตัวด้วยความร้อนและสร้างโครงสร้างผลึกใหม่ จนได้ nano-ZnO ชนิด hexagonal wurtzite ที่เสถียร.
ข้อดีทางเทคนิค
ขั้นตอนการทำงานที่เรียบง่ายช่วยลดอุปสรรคในการเข้าถึงทางเทคนิค และสามารถใช้อุปกรณ์การผลิตทางเคมีทั่วไปสำหรับการขยายขนาดอุตสาหกรรม วัตถุดิบที่มีอยู่มากมายและราคาถูกช่วยลดต้นทุนการผลิตโดยรวม ความเร็วในการเกิดปฏิกิริยาที่รวดเร็วสนับสนุนการผลิตต่อเนื่องเพื่อให้ได้กำลังการผลิตที่โดดเด่น ระบบเทคนิคที่พัฒนาแล้วและเสถียรช่วยลดการผันผวนของคุณภาพระหว่างล็อตผลิตภัณฑ์.
ข้อเสียทางเทคนิค
ความสามารถในการควบคุมพฤติกรรมการเกิดนิวเคลียสที่จำกัดทำให้เกิดการเกาะตัวกันของอนุภาคอย่างรุนแรงและขนาดอนุภาคที่กระจายตัวกว้าง โดยไม่มีความสามารถในการปรับรูปร่างได้ตามต้องการ สิ่งปนเปื้อนเกลืออนินทรีย์ที่เหลืออยู่ทำให้คุณภาพผลิตภัณฑ์สำเร็จลดลง ข้อบกพร่องของผลึกที่มีอยู่เดิมทำให้กิจกรรมผิวของวัสดุอ่อนแอลง ทำให้ผลิตภัณฑ์ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานวัสดุขั้นสูงที่ต้องการความแม่นยำสูง.
แนวทางการสังเคราะห์ที่กล่าวมาทั้งหมดต่างมีจุดแข็งและข้อจำกัดของตนเอง ดังนั้น ควรเลือกเส้นทางการเตรียมที่เหมาะสมที่สุดตามความต้องการเฉพาะของการใช้งานจริงในการผลิต nano-ZnO.