Kẽm oxit: đặc tính, ứng dụng và xu hướng phát triển của các vật liệu vô cơ đa chức năng

Kẽm oxit (ZnO), thường được gọi là kẽm trắng, là một hợp chất vô cơ cấu tạo từ nguyên tố kẽm và oxy. Công thức hóa học của nó là ZnO, số CAS là 1314-13-2, và khối lượng mol là 81,4084 g·mol⁻¹. Chất này tồn tại dưới dạng rắn màu trắng, không mùi, khó tan trong nước. Tuy nhiên, nhờ những đặc tính vật lý và hóa học độc đáo, nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của văn minh nhân loại. Từ các lớp phủ cổ xưa và ứng dụng trong y học đến những vật liệu cốt lõi trong các lĩnh vực công nghệ cao hiện đại, các tình huống ứng dụng của nó ngày càng mở rộng, trở thành một vật liệu đa chức năng, trải dài từ ngành công nghiệp truyền thống đến công nghệ tiên tiến nhất.
1. Các đặc tính tâm lý cốt lõi: cấu trúc quyết định hiệu suất

Các đặc tính ưu việt của kẽm oxit xuất phát từ cấu trúc tinh thể đặc biệt và các tính chất điện tử của nó. Ở nhiệt độ phòng, nó chủ yếu có cấu trúc wurtzite lục giác. Mỗi ion kẽm được bao quanh bởi sáu ion oxy, trong khi mỗi ion oxy lại được bao quanh bởi bốn ion kẽm. Cấu trúc này mang lại cho nó hiệu ứng áp điện và hiệu ứng nhiệt điện, tạo nền tảng cho việc ứng dụng trong các thiết bị điện tử. Trong môi trường áp suất cao, kẽm oxit có thể chuyển đổi thành cấu trúc bát diện kiểu natri clorua, thể hiện tính dẻo về mặt cấu trúc.

Về các đặc tính vật lý, kẽm oxit có mật độ 5,606 g/cm³, nhiệt độ nóng chảy là 1975°C (nhiệt độ phân hủy), nhiệt độ sôi là 2360°C và chỉ số khúc xạ nD là 2,0041. Nó có độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện cao. Đây là một chất bán dẫn có dải năng lượng trực tiếp với dải băng rộng, có khoảng cách băng khoảng 3,37 eV ở nhiệt độ phòng và năng lượng liên kết exciton lên tới 60 meV, nhờ đó nó sở hữu những ưu thế độc đáo trong lĩnh vực quang điện tử. Điều đáng chú ý là kẽm oxit có tính chất nhiệt sắc. Khi được đun nóng trong không khí, nó sẽ chuyển sang màu vàng và trở lại màu trắng sau khi làm nguội. Hiện tượng này xảy ra do sự hình thành hợp chất không cân bằng Zn₁₊ₓO ở nhiệt độ cao.

Về mặt tính chất hóa học, kẽm oxit, với tư cách là một oxit lưỡng tính điển hình, có thể phản ứng với axit và bazơ để tạo thành các muối tương ứng, chẳng hạn như phản ứng với axit clohydric tạo thành kẽm clorua, và phản ứng với natri hydroxide tạo thành kẽmat. Nó ổn định ở nhiệt độ phòng và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố phi kim ở nhiệt độ cao. Nó cũng có thể bị khử thành kẽm kim loại bằng cacbon, bột nhôm, v.v. Ngoài ra, nó còn có thể phản ứng với hydro sulfua để tạo ra kẽm sulfua, chất này được sử dụng trong các ứng dụng thương mại như sản phẩm khử mùi. Kẽm photphat được tạo thành khi phản ứng với axit photphoric có thể được dùng làm vật liệu nha khoa.

2. Quy trình chuẩn bị: sự tiến hóa công nghệ từ truyền thống đến cao cấp

Quá trình chuẩn bị kẽm oxit tiếp tục được cải tiến phù hợp với nhu cầu ứng dụng, hình thành hai hệ thống chính: sản xuất quy mô công nghiệp và tổng hợp chính xác trong phòng thí nghiệm. Các quy trình khác nhau quyết định độ tinh khiết, kích thước hạt và những khác biệt về hiệu suất của sản phẩm, từ đó thích ứng với các tình huống ứng dụng khác nhau.

(1) Quy trình chuẩn bị công nghiệp

1. Phương pháp gián tiếp (phương pháp Pháp): Sử dụng các thỏi kẽm kim loại có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu, trước tiên kẽm được nấu chảy ở nhiệt độ 600-700°C, sau đó bay hơi ở nhiệt độ 1250-1300°C để tạo thành hơi kẽm, hơi kẽm này được oxy hóa bởi không khí, rồi làm lạnh và thu hồi. Độ tinh khiết của sản phẩm có thể đạt từ 99,5% đến 99,7%. Thông qua tối ưu hóa công nghệ lắng đọng nhiều giai đoạn và xử lý bề mặt, có thể kiểm soát chính xác phân bố kích thước hạt, phù hợp cho các lĩnh vực cao cấp như cao su, gốm điện tử và các ngành khác.

2. Phương pháp trực tiếp (phương pháp Hoa Kỳ): Sử dụng quặng kẽm, xỉ luyện kim, v.v. làm nguyên liệu, trộn với than anthracite và nung nóng đến 800-1000°C. Đầu tiên, quặng kẽm được khử để tạo ra hơi kẽm, sau đó được oxy hóa trong cùng một lò phản ứng để tạo ra kẽm oxit. Đến năm 2025, sẽ đạt được những đột phá công nghệ nhằm thực hiện quá trình khử lưu huỳnh tích hợp từ khí thải (tỷ lệ thu hồi SO₂ >99%). Tổng tỷ lệ thu hồi kẽm sẽ tăng lên trên 97%. Độ tinh khiết của sản phẩm đạt từ 90% đến 95%. Chi phí chỉ bằng 45% so với các sản phẩm có độ tinh khiết cao. Sản phẩm này được sử dụng rộng rãi trong men gốm, thức ăn chăn nuôi và các lĩnh vực khác.

3. Phương pháp hóa học: Sử dụng các muối kẽm như kẽm clorua và kẽm sunfat làm nguyên liệu, chúng phản ứng với các chất kiềm như natri hydroxide và natri cacbonat để tạo thành kết tủa kẽm hydroxit, sau đó được chuyển đổi thành kẽm oxit thông qua quá trình rửa sạch, sấy khô và nung nóng. Các phương pháp này bao gồm phương pháp amoni bicarbonat, phương pháp nitrat, v.v. Quá trình axit được tối ưu hóa nhờ các chất ức chế sự phát triển tinh thể và phương pháp nung liên tục trong tầng sôi. Diện tích bề mặt riêng của kẽm oxit hoạt tính vượt quá 80 m²/g, cao hơn nhiều so với mức 10-15 m²/g của phương pháp lửa. Sản phẩm này phù hợp với các nhu cầu cao cấp như lớp phủ bảo vệ cho pin quang điện và lớp cách ly trong pin.

(2) Phòng thí nghiệm và công nghệ mới

Các phương pháp thủy nhiệt, phương pháp lắng đọng hơi, phương pháp sol-gel, v.v. thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để điều chế các dạng đặc biệt của kẽm oxit. Phương pháp thủy nhiệt thu được tinh thể kẽm oxit thông qua phản ứng ở áp suất và nhiệt độ cao; phương pháp lắng đọng hơi có thể điều chế các màng kẽm oxit chất lượng cao; còn phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc sản phẩm. Phương pháp vi nhũ tương sử dụng pha hữu cơ cyclohexan và hệ chất hoạt động bề mặt không ion để điều chế kẽm oxit với cấu trúc hạt đặc biệt.

Các quy trình mới đang thúc đẩy việc phát triển các vật liệu kẽm oxit cao cấp. Phương pháp pha khí hỗ trợ plasma tần số vô tuyến có thể chế tạo các cột nano xếp thành hàng, với hiệu suất đáp ứng áp điện cao hơn gấp hai bậc so với các vật liệu màng mỏng. Công nghệ pyrolysis phun sử dụng quá trình phun siêu âm và trường nhiệt vi sóng để tạo ra các hạt cầu đồng nhất kích thước 10 nm, những hạt này đã tham gia vào thị trường màng nền chiếu sáng nền LED quantum dot. Phương pháp điện phân muối nóng chảy kẽmate có thể sản xuất các tấm mỏng có độ kết tinh cao với hệ số dẫn nhiệt 280 W/(m·K), có thể được ứng dụng trong các hệ thống quản lý nhiệt cho đèn LED.

3. Các lĩnh vực ứng dụng đa dạng: vật liệu chức năng thâm nhập vào nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Sản lượng kẽm oxit hàng năm trên toàn cầu vào khoảng 1,05 triệu tấn, và các ứng dụng của nó bao gồm nhiều lĩnh vực như cao su, y dược, điện tử và xúc tác. Giá trị cốt lõi của nó đến từ nhiều đặc tính như khả năng gia cường, chống tia cực tím, bán dẫn và kháng khuẩn.

(1) Ngành cao su: cốt gia cường và chất hoạt hóa

Khoảng 50% kẽm oxit được sử dụng trong ngành công nghiệp cao su. Khi được sử dụng kết hợp với axit stearic như một chất kích hoạt lưu hóa, nó có thể đẩy nhanh phản ứng liên kết chéo của cao su và cải thiện các đặc tính cơ học, khả năng chống mài mòn cũng như khả năng chống lão hóa của sản phẩm. Việc bổ sung bột dẫn nhiệt kẽm oxit vào cao su silicone có thể nâng cao đáng kể tính dẫn nhiệt và duy trì độ bền cao. Kẽm oxit ở cấp độ nano có thể đạt được tính dẫn nhiệt cao với hàm lượng gia tăng thấp; tuy nhiên, cần giải quyết vấn đề tụ tập hạt để tránh ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học. Ngoài ra, kẽm oxit còn giúp bảo vệ cao su khỏi nấm mốc và tia UV, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của sản phẩm.

(2) Thuốc và mỹ phẩm: bảo vệ an toàn và chăm sóc

Trong lĩnh vực y học, kẽm oxit là một loại thuốc OTC thuộc nhóm B. Kem bôi chứa kẽm oxit thích hợp dùng cho viêm da cấp/tiểu cấp, chàm, rôm sảy và các vết loét nhẹ trên da. Dầu bôi có thể được sử dụng để chăm sóc các vết bỏng và bỏng nước nhỏ. Thuốc được dùng ngoài da hai lần mỗi ngày. Thỉnh thoảng có thể xuất hiện các phản ứng phụ như cảm giác nóng rát và phát ban. Trong quá trình sử dụng, cần tránh tiếp xúc với niêm mạc và không được uống. Trong nha khoa, kẽm oxit có thể được sử dụng trong thành phần kem đánh răng, trám tạm thời và các loại hồ trám răng. Sản phẩm giống như xi măng được tạo ra khi phản ứng với axit photphoric là một vật liệu nha khoa thường được sử dụng.

Trong lĩnh vực mỹ phẩm, kẽm oxit đã trở thành thành phần cốt lõi của kem chống nắng nhờ hiệu quả cao trong việc hấp thụ tia cực tím và độ an toàn cao. Mặc dù các chế phẩm nano-kẽm oxit truyền thống có độ nhớt cao và tính chất mỹ phẩm kém, chúng lại mang lại hiệu quả bảo vệ khỏi tia UV tuyệt vời. Với sự phát triển của công nghệ biến đổi bề mặt, trải nghiệm sử dụng đã dần được cải thiện. Ngoài ra, kẽm oxit cũng có thể được dùng như một chất bổ sung dinh dưỡng để cung cấp cho cơ thể con người lượng kẽm thiết yếu.

(3) Điện tử và quang điện tử: những lực lượng mới trong vật liệu bán dẫn

Kẽm oxit được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử nhờ khoảng cách băng rộng và năng lượng liên kết exciton cao của nó. Nó được dùng để sản xuất các biến trở (varistor), vốn tận dụng đặc tính không tuyến tính giữa dòng điện và điện áp nhằm bảo vệ chống sét cho các đường dây cao áp cũng như chống xung điện cho thiết bị. Các vật liệu có mật độ cao là cần thiết để đảm bảo hiệu suất ổn định. Trong lĩnh vực quang điện, nó có thể được ứng dụng trong laser cực tím, pin mặt trời, cảm biến khí và các thiết bị khác. Các đặc tính phát quang bằng ánh sáng và tính chất áp điện của nó cũng có thể được sử dụng để thiết kế các cảm biến MEMS nhằm xác định bán kính uốn và góc uốn. Ngoài ra, kẽm oxit được kỳ vọng sẽ thay thế GaN làm vật liệu cốt lõi cho các diode phát sáng UV và đèn LED, với tiềm năng to lớn.

(4) Các lĩnh vực khác: mở rộng chức năng và ứng dụng sáng tạo

Trong ngành công nghiệp xúc tác, kẽm oxit có thể được sử dụng làm chất xúc tác tổng hợp hữu cơ và chất khử lưu huỳnh. Nó tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống dưới ánh sáng cực tím và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ thông qua quá trình oxy hóa trực tiếp hoặc gián tiếp. Việc bổ sung các thành phần khác có thể mở rộng dải phản ứng trong vùng ánh sáng nhìn thấy của nó. Trong ngành dệt may, lớp phủ nano-kẽm oxit giúp vải có khả năng chống thấm nước, tự làm sạch và chống tia cực tím. Độ thoáng khí của nó tốt hơn so với vật liệu chính, do đó thích hợp cho cả trang phục quân đội lẫn trang phục thường ngày.

Trong lĩnh vực xây dựng, kẽm oxit nano được thêm vào xi măng để cải thiện cường độ nén và tính chống bám bẩn; trong ngành thực phẩm, nó được sử dụng như một nguồn cung cấp kẽm trong ngũ cốc ăn sáng và các chất phụ gia thức ăn chăn nuôi, đồng thời có thể được kết hợp với các công nghệ khác để nâng cao hiệu quả khử trùng. Đồng thời, kẽm oxit cũng có những ứng dụng quan trọng trong pin, vật liệu ferit, vật liệu chống cháy và các lĩnh vực khác.

4. Xu hướng an toàn, bảo vệ môi trường và phát triển: xanh hóa và cao cấp song hành

(1) Các vấn đề an toàn và bảo vệ môi trường

Bản thân kẽm oxit tương đối an toàn, nhưng bạn cần tránh hít phải bụi và tiếp xúc trực tiếp với da. Khi vận hành, bạn nên mặc quần áo bảo hộ, đeo găng tay và khẩu trang bảo hộ, đảm bảo thông gió tốt, đồng thời lưu trữ sản phẩm này cách xa các axit. Liên minh Châu Âu liệt kê kẽm oxit là chất nguy hiểm cho môi trường (R50/53) và yêu cầu tuân thủ các điều khoản an toàn S60 và S61. Trong quá trình sản xuất, phương pháp trực tiếp cần kiểm soát lượng khí thải SO₂, còn phương pháp ướt cần xử lý nước thải và chất thải rắn. Các quy trình mới đang giảm thiểu tác động đến môi trường nhờ tiêu thụ năng lượng thấp và sử dụng chu trình khép kín. Ví dụ, tỷ lệ thu hồi amoniac trong quy trình amoniac vượt 99,8%, đồng thời chi phí sản xuất kẽm oxit tái sinh thấp hơn so với các sản phẩm khoáng nguyên liệu sơ cấp.

Về mặt tái chế, kẽm oxit có thể được thu hồi từ các sản phẩm kẽm phế liệu thông qua phương pháp luyện kim nhiệt và luyện kim thủy lực, với tỷ lệ thu hồi từ 80% đến 90%. Trong tương lai, hệ thống tái chế khép kín sẽ kết hợp công nghệ nano và giám sát thông minh để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng.

(2) Xu hướng phát triển ngành công nghiệp

Ngành công nghiệp kẽm oxit đang chuyển hướng sang phát triển xanh và cao cấp. Về hiệu quả năng lượng, quy trình ướt (tiêu thụ điện năng mỗi tấn là 3.800 kWh) có nhiều ưu thế hơn so với quy trình nhiệt (6.000 kWh). Trong thời đại bình đẳng năng lượng xanh, lợi ích cận biên tiếp tục tăng lên. Được thúc đẩy bởi các chính sách bảo vệ môi trường, đã xuất hiện làn sóng chuyển đổi sang quy trình ướt thế hệ thứ ba tại EU, đồng thời công nghệ thu giữ carbon dần được áp dụng để giảm thiểu khí thải.

Về mặt giá trị, giá của kẽm oxit thông thường khoảng 20.000 nhân dân tệ/tấn, trong khi bột nano cấp mục tiêu đã vượt mức 1,2 triệu nhân dân tệ/tấn. Phân khúc cao cấp đã trở thành chìa khóa thành công của công ty. Trong tương lai, điện toán lượng tử và học máy sẽ hỗ trợ thiết kế các vật liệu kẽm oxit hiệu suất cao; các quy trình xanh như tổng hợp sinh học và tổng hợp vi sóng sẽ tiếp tục được tối ưu hóa; đồng thời, hệ thống đánh giá vòng đời đầy đủ sẽ dần được hoàn thiện nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp đạt được sự cân bằng giữa giá trị môi trường và kinh tế.

Từ việc tận dụng khoáng chất tự nhiên từ thời cổ đại đến phương pháp điều chế tinh vi ở quy mô nano hiện đại, kẽm oxit vẫn tiếp tục thúc đẩy sự nâng cấp công nghệ trong nhiều ngành công nghiệp nhờ các đặc tính vật lý và hóa học có thể kiểm soát được. Với sự giao thoa giữa khoa học vật liệu và kỹ thuật môi trường, loại bột trắng thông thường này chắc chắn sẽ tỏa sáng với những giá trị rực rỡ hơn nữa trong các lĩnh vực như năng lượng mới, sản xuất cao cấp và bảo vệ môi trường sinh thái.