(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và tổng hợp zno kích thước nano mét định hướng ứng dụng cho nguồn điện bạc kẽm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

TRẦN THỊ HƯƠNG NỤ

NGHIÊN CỨU VÀ TỔNG HỢP ZnO KÍCH THƯỚC NANO MÉT
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO NGUỒN ĐIỆN BẠC - KẼM
Ngành: Hóa vơ cơ
Mã số: 8.44.01.13

LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC

Hướng dẫn khoa học: 1. TS. Nguyễn Văn Tú
2. PGS.TS Đỗ Trà Hương

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu và tổng hợp ZnO kích thước nano mét
định hướng ứng dụng cho nguồn điện bạc - kẽm” là do bản thân tôi thực hiện. Các
số liệu, kết quả trong đề tài là hồn tồn trung thực. Nếu điều tơi cam đoan là sai sự
thật tơi sẽ hồn tồn chịu trách nhiệm.
Thái nguyên, tháng 04 năm 2019
Tác giả đề tài

TRẦN THỊ HƯƠNG NỤ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tơi xin kính gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Đỗ Trà Hương,
TS. Nguyễn Văn Tú những thầy cô luôn mẫu mực, đã tận tình, dành nhiều tâm huyết
hướng dẫn, dậy bảo tơi trong thời gian làm thực nghiệm và hoàn thành báo cáo này.
Xin chân thành cảm ơn đội ngũ thầy cô giáo tại Khoa Hóa học, Trường Đại học
Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã truyền dậy những tri thức khoa học và tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất quá trình tôi thực hiện báo cáo này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ của Viện Hóa học - Vật
liệu, Viện khoa học Cơng nghệ Qn sự; Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Đại học Thái Nguyên đã cho phép tôi sử dụng cơ sở vật chất, máy móc trang thiết bị
trong q trình đo đạc mẫu, thực hiện các công việc thực nghiệm.
Báo cáo này được hỗ trợ to lớn từ nguồn kinh phí kinh phí của Quỹ Phát triển
khoa học và cơng nghệ Quốc gia (NAFOSTED) mã số 104.06-2017.62. Tôi xin chân
thành cảm ơn sự giúp đỡ to lớn này.
Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, các
anh chị em bạn bè đồng nghiệp trường THPT Trần Quốc Tuấn nơi tôi đang công tác,
những bạn bè thân thiết đã luôn cổ vũ, động viên kịp thời, ủng hộ, giúp đỡ tơi trong
suốt q trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm và hồn
thành báo cáo này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC

Lời cam đoan .................................................................................................................. i
Lời cảm ơn .....................................................................................................................ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục các chữ viết tắt............................................................................................. iv
Danh mục các bảng ........................................................................................................ v
Danh mục các hình ....................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
1. Mục tiêu của đề tài .....................................................................................................2
2. Nội dung nghiên cứu..................................................................................................2
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................3
1.1. Giới thiệu nguồn điện bạc - kẽm và ứng dụng .......................................................3
1.2. Các quá trình điện cực ............................................................................................8
1.3. Giới thiệu vật liệu nano và ứng dụng trong điện hóa ...........................................11
1.3.1. Giới thiệu vật liệu nano .....................................................................................11
1.3.2. Ứng dụng vât liệu nano trong điện hóa .............................................................12
1.4. Giới thiệu về vật liệu ZnO và ứng dụng ...............................................................15
1.4.1. Giới thiệu về ZnO ..............................................................................................15
1.4.2. Ứng dụng của ZnO ............................................................................................16
1.5. Các phương pháp chế tạo vật liệu ZnO trong phịng thí nghiệm..........................17
1.6. Tình hình nghiên cứu và tổng hợp nano ZnO ở trong và ngoài nước ..................18
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........22
2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ................................................................................22
2.1.1. Hóa chất .............................................................................................................22
2.1.2. Dụng cụ ..............................................................................................................22
2.2. Tổng hợp vật liệu ZnO..........................................................................................23
2.2.1. Tổng hợp vật liệu ZnO bằng phương pháp kết tủa ............................................23
2.2.2. Tổng hợp vật liệu ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp nung ................23
2.3. Xác định hình thái học, cấu trúc, thành phần, diện tích bề mặt vật liệu nano ZnO.......24
2.4. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu .....................................................................................24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

2.4.1. Chuẩn bị mẫu cực âm (anot) ..............................................................................24
2.4.2. Chuẩn bị mẫu cực dương (catot) .......................................................................25
2.5. Các phương pháp nghiên cứu ...............................................................................25
2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................................25
2.5.2. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), Phương pháp phổ tán
xạ năng lượng tia X (EDS) ..........................................................................................26
2.5.3. Phương pháp phân tích diện tích bề mặt riêng (BET) .......................................28
2.5.4. Phương pháp điện hóa .......................................................................................29
2.5.5. Phương pháp tán xạ laze (LS) ............................................................................30
2.5.6. Phương pháp phổ khối cộng hưởng từ plasma (ICP-MS) .................................30
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 32
3.1. Chế tạo vật liệu ZnO và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới hình thái cấu trúc
bề mặt ...........................................................................................................................32
3.1.1. Ảnh hưởng của thành phần dung dịch theo phương pháp kết tủa ....................32
3.1.2. Phương pháp thủy nhiệt kết hợp nung ...............................................................34
3.2. Phân tích cấu trúc, thành phần vật liệu theo phương pháp XRD và SEM-EDS..........39
3.2.1. Phân tích XRD ...................................................................................................39
3.2.2. Phân tích EDS ....................................................................................................39
3.2.3. Phân tích mẫu ZnO bằng phương pháp ICP-MS ...............................................41
3.3. Phân tích diện tích bề mặt, khả năng phân bố kích thước hạt vật liệu ZnO .........42
3.3.1. Phân tích diện tích bề mặt điện cực theo phương pháp BET ............................42
3.3.2. Phân bố kích thước hạt theo tán xạ laze ............................................................46
3.4. Đo đặc tính điện hóa của hệ pin............................................................................49
3.4.1. Thử nghiệm khả năng phóng điện của điện cực kẽm (hệ ắc quy bạc-kẽm) ......49
3.4.2. Đo tổng trở của hệ pin .......................................................................................51
KẾT LUẬN .................................................................................................................52

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ............53
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................54
PHỤ LỤC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

EDS

BET
EIS
SEM
XRD

Phổ tán xạ năng lượng tia X, hay Phổ tán sắc năng lượng
(Energy dispersive X-ray spectroscopy)
Đo diện tích bề mặt theo phương pháp The Brunauer, Emmett and
Teller
Phổ tổng trở điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy)
Kính hiển vi điện tử quét
(Scanning Electron Microscope)
Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh các tính chất, đặc trưng và các ưu, nhược điểm của nguồn điện
bạc - kẽm so với các chủng loại nguồn điện khác ......................................3
Bảng 1.2. Một số ứng dụng chi tiết của nguồn điện bạc - kẽm .....................................6
Bảng 3.1. Kết quả phân tích EDS ................................................................................41
Bảng 3.2. Kết quả phân tích ZnO bằng phương pháp ICP-MS ...................................42

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu tạo ắc quy bạc - kẽm. 1 - Điện cực dương; 2 - Điện cực âm; 3 - Lỗ
đổ điện dịch, van an toàn. ...........................................................................7
Hình 1.2. Cấu tạo pin cúc bạc - kẽm..............................................................................8
Hình 1.3. Đường cong phóng/nạp của ắc quy bạc - kẽm, ở các chế độ dòng khác
nhau (a) 0,25Adm-1; (b) 0,5A/dm2; (c)1,0 A/dm2; (d) 2,5A/dm2; (e)5,0
A/dm2 .........................................................................................................9
Hình 1.4. Cấu trúc ZnO ...............................................................................................15
Hình 2.1. Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể ...............................................25
Hình 2.2. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol - 6610LA ........................................27
Hình 2.3. Thiết bị đo diện tích bề mặt riêng Tri Start 3000, Micromeritics (Mỹ) ......28
Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của P/V(Po-P) vào P/Po ..............................29
Hình 3.1. Ảnh SEM của mẫu nano ZnO tổng hợp ở 70 oC, pH = 11 trên máy khấy
từ gia nhiệt từ dung dịch 25 mL Zn(NO3)2 0,1M + NaOH 0,1M + 20
mL hỗn hợp rượu nước (tỉ lệ thể tích C2H5OH : H2O = 1 : 1). ................32
Hình 3.2. Ảnh SEM của mẫu nano ZnO tổng hợp ở 70 oC, pH = 11 trên máy khấy

từ gia nhiệt từ dung dịch 25 mL Zn(NO3)2 1M + NaOH 0,1M + 20 mL
hỗn hợp rượu nước (tỉ lệ thể tích C2H5OH : H2O = 1 : 1). .......................33
Hình 3.3. Ảnh SEM của mẫu nano ZnO tổng hợp ở 70 oC, pH = 11 trên máy khấy
từ gia nhiệt từ dung dịch 25 mL Zn(NO3)2 2M + NaOH 0,1M + 20 mL
hỗn hợp rượu nước (tỉ lệ thể tích C2H5OH : H2O = 1 : 1). .......................33
Hình 3.4. Ảnh SEM của mẫu M1 nano ZnO tổng hợp được ...........................................35
Hình 3.5. Ảnh SEM của mẫu M2 nano ZnO tổng hợp được ...........................................35
Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu M3 nano ZnO tổng hợp được ...........................................36
Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu M4 nano ZnO tổng hợp được ...........................................36
Hình 3.8. Ảnh SEM của mẫu M3 nung trong thời gian 9 giờ. ....................................37
Hình 3.9. Ảnh SEM của mẫu M3 nung trong thời gian 15 giờ. ..................................37
Hình 3.10. Ảnh SEM của mẫu M3 nung trong thời gian 20 giờ. ................................ 38
Hình 3.11. Ảnh SEM của mẫu M3 nung trong thời gian 24 giờ. ................................ 38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




Hình 3.12. Giản đồ XRD của mẫu M3 vật liệu nano ZnO tổng hợp được .................39
Hình 3.13. Phổ EDS của mẫu M1 ................................................................................40
Hình 3.14. Phổ EDS của mẫu M2 ................................................................................40
Hình 3.15. Phổ EDS của mẫu M3 ................................................................................41
Hình 3.16. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 của mẫu M1; (b) Đồ
thị đường BET của mẫu M1 .....................................................................43
Hình 3.17. (c) Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 của mẫu M2; (d) Đồ
thị đường BET của mẫu M2. ....................................................................44
Hình 3.18. (e) Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 của mẫu M3; (f) Đồ
thị đường BET của mẫu M3 .....................................................................45
Hình 3.19. Phân bố kích thước hạt nano ZnO theo phương pháp tán xạ laze của
mẫu M1 .....................................................................................................47

Hình 3.20. Phân bố kích thước hạt nano ZnO theo phương pháp tán xạ laze của
mẫu M2 .....................................................................................................47
Hình 3.21. Phân bố kích thước hạt nano ZnO theo phương pháp tán xạ laze của
mẫu M3 .....................................................................................................48
Hình 3.22. Phân bố kích thước hạt nano ZnO theo phương pháp tán xạ laze của
mẫu M4 .....................................................................................................48
Hình 3.23. Khả năng phóng điện của ắc quy bạc - kẽm. (1) Vật liệu nano ZnO, chế
độ nạp 0,1 C, sau đó phóng 0,1 C; (2) Vật liệu nano ZnO, chế độ nạp
0,1 C, sau đó phóng 0,5 C; (3) Vật liệu bột ZnO, chế độ nạp 0,1 C, sau
đó phóng 0,1 C; (4) Vật liệu bột ZnO, chế độ nạp 0,1 C, sau đó phóng
0,5 C..........................................................................................................50
Hình 3.24. Phổ tổng trở điện hóa của hệ pin Zn/KOH/Ag2O, điện cực ZnO chế tạo
từ điều kiện tổng hợp ở nhiệt độ 180oC, nạp điện 0,1C, trong 10 giờ,
điều kiện đo 10mHz đến 100kHz, biên độ 5mV, tại điện thế mạch hở
1,55 V .......................................................................................................51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỞ ĐẦU
Hiện nay, nhu cầu dân sinh cũng như quốc phịng, an ninh đều cần một lượng
lớn nguồn điện hố như pin, ắc quy. Trong khi đó ở nước ta các nguồn điện hố học có
tính chất đặc biệt như năng lượng riêng, dung lượng cao (pin liti-ion, ắc quy kiềm, pin
kiềm...) sử dụng chủ yếu vẫn phải nhập ngoại, giá thành cao, không làm chủ được công
nghệ, điều này ảnh hưởng không nhỏ đến kinh tế quốc dân. Như vậy, việc nghiên cứu
chế tạo và làm chủ công nghệ sản xuất nguồn điện hố học với cơng nghệ tiên tiến trở
nên hết sức cấp thiết.
Một trong những nguồn điện hóa được quan tâm nhiều nhất trong các hoạt động

cơng nghệ cao là nguồn điện bạc - kẽm. Điện cực bạc/bạc oxit do có tính chất điện hóa
đặc biệt: thế khử và tính thuận nghịch cao, có độ dẫn điện tốt cho phép phóng điện với
mật độ dịng lớn... Trong nguồn điện bạc - kẽm, điện cực kẽm/kẽm oxit đóng vài trò
hết sức quan trọng quyết định đến các đặc tính và tính chất điện hóa của nguồn điện,
như: dung lượng, cơng suất, khả năng hoạt hóa,... Do vậy, để nâng cao đặc tính riêng
và hiệu quả sử dụng lâu dài của nguồn điện này cho các mục đích quân sự và dân sự
luôn là vấn đề được các nhà khoa học đặc biệt quân tâm.
Kẽm oxit là một trong các vật liệu có nhiều ứng dụng khoa học và công nghệ
quan trọng nhiều lĩnh vực như quang xúc tác, quang điện, huỳnh quang, cảm biến khí,
điện tử, và điện hóa. Vật liệu có kích thước nano mét có diện tích bề mặt cao tăng động
lực học và mức độ của các phản ứng oxi hóa khử, do đó dẫn đến cơng suất và năng
lượng riêng cao. Việc giảm kích thước hạt của ZnO làm thay đổi tính chất vật lý và hóa
học của nó do diện tích bề mặt tăng và giảm năng lượng lượng tử. Hệ điện hóa Zn/Ag2O
đã được ứng dụng trong việc chế tạo nguồn điện hóa học từ rất lâu, đặc biệt ứng dụng
thành cơng trong quân sự, hàng không, vũ trụ. Trong ắc quy bạc - kẽm thường sử dụng
điện cực kẽm dạng xốp là hỗn hợp bột kẽm - kẽm oxit được ép lên các lưới dẫn điện.
Do vậy, thời gian gần đây việc chế tạo và ứng dụng kẽm oxit có kích thước nano vào
lĩnh vực tích trữ năng lượng tập trung thu hút các nhà nghiên cứu điện hóa, chuyên gia
nguồn điện hóa học. Tuy nhiên số các cơng trình cơng bố về lĩnh vực này cịn ít, trong
nước chưa có cơng bố nào. Chính vì vậy, chúng tơi lựa chọn ðề tài: “Nghiên cứu và
tổng hợp ZnO kích thước nano mét định hướng ứng dụng cho nguồn điện bạc kẽm”.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




1. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu và tổng hợp ZnO kích thước nano mét bằng phương pháp thủy nhiệt.
Nghiên cứu và khảo sát các tính chất điện hóa của điện cực ZnO (làm điện cực âm)
trong môi trường kiềm, định hướng ứng dụng cho nguồn điện bạc - kẽm.

2. Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo vật liệu ZnO kích thước nano bằng phương pháp thủy nhiệt.
- Xác định cấu trúc, hình thái, đặc điểm bề mặt, diện tích bề mặt riêng của ZnO.
- Chế tạo điện cực âm kẽm trên cơ sở vật liệu nano ZnO.
- Nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu ZnO trong mơi trường kiềm.
- Tính tốn các giá trị đặc trưng của hệ nguồn điện có điện cực chế tạo.
- Thử nghiệm khả năng phóng điện của điện cực kẽm (hệ ắc quy bạc - kẽm).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 1.
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu nguồn điện bạc - kẽm và ứng dụng
Nguồn điện bạc kẽm đã được sử dụng dưới dạng nguồn điện sơ cấp (pin) và
nguồn điện thứ cấp (ắc quy). So với các nguồn điện thông thường khác nguồn điện bạc
kẽm có tính năng vượt trội về năng lượng riêng, cơng suất riêng, cho phép phóng điện
với dịng điện rất lớn và điện thế ổn định, có thể làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp (20oC), hệ số an toàn cao đã khỏa lấp những hạn chế về giá thành cao. Loại nguồn điện
này cho phép phóng điện với dịng vài trăm mili ampe tới vài trăm ampe, thời gian làm
việc kéo dài. Nguồn điện bạc - kẽm được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kĩ thuật
cơng nghệ cao nói chung và kĩ thuật qn sự nói riêng.
Nhược điểm của loại ắc quy bạc - kẽm là số chu kì thấp, nhanh xuống cấp.
Nguyên nhân chủ yếu liên quan đến việc chế tạo điện cực âm kẽm oxit/kẽm. Hiện nay
chủng loại nguồn điện này ở nước ta đã và đang sử dụng một số chủng loại ắc quy bạc
- kẽm chủ yếu phục vụ quốc phịng an ninh và hàng khơng [16], [47].
So sánh các tính chất, đặc trưng và các ưu, nhược điểm của nguồn điện bạc kẽm so với các chủng loại nguồn điện khác, cũng như dạng ứng dụng của nguồn điện
bạc - kẽm được cho ở bảng 1.1 và 1.2.
Bảng 1.1. So sánh các tính chất, đặc trưng và các ưu, nhược điểm của nguồn

điện bạc - kẽm so với các chủng loại nguồn điện khác
Hệ điện hóa
(chủng loại ắc
quy)

Điện
Năng
thế
lượng
mạch
riêng
hở
(Kw/kg)
(V)

Pb/H2SO4/PbO2 42

2,05

Ưu điểm

Nhược điểm

Lĩnh vực ứng
dụng

Giá rẻ, công - Năng lượng

Đa dạng, phổ biến

nghệ ổn

riêng thấp

nhất, làm nguồn

định

- Ơ nhiễm mơi

khởi động, nguồn

trường

ni trong cơng

- Hiệu suất sử

nghiệp và đời sống.

dụng ít

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




Điện
Năng
thế

Hệ điện hóa
lượng
mạch
(chủng loại ắc
riêng
hở
quy)
(Kw/kg)
(V)

Ưu điểm

Nhược điểm

- Số chu kỳ - Giá thành cao

Thay thế ắc quy chì

lớn

- Ơ nhiễm môi

làm nguồn nuôi,

- Dung

trường

khởi động trong

lượng riêng - Hiện tượng tự
Ni-Cd

50

1,2

Lĩnh vực ứng
dụng

một số lĩnh vực của

tương đối

phóng lớn (10%/ công nghiệp như:

lớn

tháng)

khai thác than, tàu

- Chỉ sử dụng

hỏa, xe điện, xe lai

được ở chế độ

điện.

mật độ dòng bé
- Số chu kỳ - Giá thành cao

Thay thế ắc quy

lớn

- Hiện tượng tự

Ni-Cd trong một số

- Dung

phóng lớn (5-

trường hợp, xe

lượng riêng 15%/ tháng) tùy điện, xe lai điện.
Ni-MH

70-100

1,2

tương đối

theo nhiệt độ.

lớn

- Chỉ sử dụng

- Số chu kỳ được ở chế độ
sử dụng cao mật độ dịng bé
(10,000 -

- Khơng an tồn

20,000 chu

khi sử dụng, có

kỳ)

thể cháy, nổ

- Dung

- Giá thành cao

Ứng dụng trong

lượng riêng - Mật độ dòng sử dân sự, làm nguồn
lớn
Li-ion

180

3,5

dụng nhỏ

ni cho máy tính

- Số chu kỳ - Khó thiết kế ắc xách tay, điện
phóng nạp

quy có dung

lớn (2000 -

lượng, dịng lớn thơng, thiết bị điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

thoại, thiết bị viễn




Điện
Năng
thế
Hệ điện hóa
lượng
mạch
(chủng loại ắc
riêng
hở
quy)

(Kw/kg)
(V)

Ưu điểm

Nhược điểm

Lĩnh vực ứng
dụng

3000 chu

- Khơng an tồn tử cầm tay (camera,

kỳ)

khi sử dụng ở

trị chơi điện tử).

điều kiện nhiệt
độ cao hoặc có
thể tự cháy nổ
(do sử dụng
dung môi hữu
cơ)
- Dung

Zn/KOH/Ag2O 130

1,55

- Giá thành cao, Ứng dụng hạn chế,

lượng riêng khó cạnh tranh

chỉ sử dụng làm

lớn

với các chủng

nguồn nuôi, khởi

- Cung cấp

loại khác

động cho các ngành

dịng ổn

- Số chu kỳ sử

cơng nghệ cao,

định

dụng thấp (10 -

hàng khơng, vũ trụ,

- Có thể

300 chu kỳ).

(tàu vũ trụ, máy

thiết kế ắc

bay), lĩnh vực quân

quy có dung

sự, thiết bị điện tử,

lượng và

thiết bị y tế (pin

dòng lớn

cúc)

- Hệ số an
tồn cao
Nguồn: [15], [16], [52], [57].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Bảng 1.2. Một số ứng dụng chi tiết của nguồn điện bạc - kẽm
Tên thiết bị

Thơng số kỹ thuật

F-84F, RF-84

Kích thước: 9,5x4,88x3,5 in, 6Ah,
26,5V
Nặng: 4kg, hệ bạc - kẽm

F-105B, F-105D,
F-105F

Kích thước: 9x5,5x7,69 in, 15Ah,
24,5V
Nặng: 31kg, hệ bạc - kẽm

F-106A, F-106B

Kích thước: 9x5,5x7,69 in, 15Ah,
24,5V,
Nặng: 31kg, hệ bạc - kẽm

H-2A, H-2B,
H-2C

40Ah, 24V, hệ bạc - kẽm

H-13N, H-13P

11Ah, 24V, hệ bạc - kẽm

H-43C

27Ah, 24V, hệ bạc - kẽm

Ứng dụng

Máy bay - Navy (Mỹ)

Kích thước: 3,3x5,6x3,2 in, 0,85Ah,
GAP4007

13,214,6V, Nặng: 1,2kg, khả năng
phóng dịng tới 34A
Kích

P15U, P21, P22

thước:

283x225x221

Máy bay Jet (Mỹ)

mm,

24,230.0V
Nặng: 21kg, hệ bạc - kẽm

Tên lửa không đối
không (Mỹ)
Tên lửa không đối hải
(Nga)

SUT,
DM2A3,
DM2A4

- SL-120 Ah:
Kích thước: 160x83,9x5x56 mm
Nặng: 1,82 kg; 120Ah
- H14DC-160:
Kích thước: 160x83,9x5x56 mm
Nặng: 1,8 kg, 160Ah

Ngư lơi (NATO)

SR130W,
SR44W, …

Kích thước: Cao 3,05mm; đường kính
11,6; 1,55V; 80mAh; nặng 1,2g, hệ
bạc - kẽm

Pin cúc (Duracell, Saft,

Energizer)
Nguồn: [16], [52]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Cấu tạo ắc quy bạc - kẽm
Tương tự các chủng loại ắc quy, cấu tạo của ắc quy bạc - kẽm gồm 03 bộ phận
chính: 1 - Điện cực dương, Điện cực âm; 2 - Lá cách; 3 - Dung dịch chất điện ly. Cấu
tại chi tiết được cho ở hình 1.1 [16], [56], [17].
Chế tạo cực dương bằng cách đặt lưới bạc, vào khuôn phép chế độ bột bạc rồi
ép bằng máy ép thuỷ lực. Trong một số trường hợp bản cực ép đó cịn đem nung kết
thêm trong lò điện. Điện cực âm ép bằng bột oxit kẽm với bột kẽm, có dây bạc, hoặc
lưới bạc, hoặc lá kẽm làm cột và dây dẫn. Thường cho vào chất hoạt động dung dịch
tinh bột hoặc cacboxyl xenluza làm chất kết tinh cao gồm có oxit kẽm và dung dịch
chất kết tinh miết lên khung gói giấy ép lại vào giấy.

Hình 1.1. Cấu tạo ắc quy bạc - kẽm. 1 - Điện cực dương; 2 - Điện cực âm; 3 - Lỗ
đổ điện dịch, van an toàn.
Khi nạp điện bạc biến thành Ag2O và AgO, còn oxit kẽm thành kẽm, giấy
cellophan gói cực dương đồng thời là lá cực. Để cho cellophan khỏi bị phá huỷ khi tiếp
xúc oxit bạc thì điện cực dương bọc trong nylon hoặc vải bền hố học. Ắc quy loại nhỏ
thì lắp trong bình nhựa trong để nhìn rõ mức điện dịch và khi ắc quy đã phóng điện thì
điện dịch đã ngấm vào lá cực và lá cách rồi cùng cịn khoảng nửa bình, nếu lượng điện
dịch nhiều hơn thì điện cực âm sẽ mủn ra và kẽm rơi xuống đáy bình. Điện dịch là dung
dịch KOH có tỷ trọng 1,35÷1,4 g/cm3 bão hồ kẽm oxit, cùng một số loại phụ gia ổn
định.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Cấu tạo pin cúc bạc - kẽm
Khác với ắc quy bạc - kẽm, pin hệ bạc kẽm thường chỉ sử dụng dưới dạng pin
cúc có dụng lượng nhỏ, sử dụng trong các máy trợ tim, đồng hồ, trò chơi điện tử….
Cấu tạo chi tiết được cho ở trên hình 1.2 [16], [57].

Hình 1.2. Cấu tạo pin cúc bạc - kẽm.
Khác với ắc quy, trong pin điện cực âm (Zn) được làm từ bột kẽm, còn điện cực
dương (Ag2O) được làm từ bột bạc oxit, chất điện ly là dạng keo, hồ, nằm ở dạng sệt
hỗn hợp gồm KOH, ZnO và chất hấp phụ, phụ gia.
1.2. Các quá trình điện cực
Khi phóng điện, q trình điện cực hịa tan điện cực kẽm xảy ra, kẽm sẽ chuyển
thành dạng kẽm zincat, điện dịch lại bão hoà zincat nên kẽm lại kết tủa trong các lỗ
xốp của điện cực dưới dạng oxit và hiđroxit không tan [2], [16], [17].
Zn + 2OH-

→ ZnO + H2O

ZnO +2KOH

→

2K2ZnO2

K2ZnO2

+ 3 H2 O →

+ 2e

(2.1)

+ H2 O

(2.2)

ZnO + Zn(OH)2 + 4KOH

(2.3)

Khi nạp điện thì kẽm từ zincat sẽ kết tủa trên điện cực dưới dạng bột kẽm, còn
oxit kẽm phản ứng với kiềm tự do thành zincat. Như vậy nồng độ zincat trong điện
dịch giữ không đổi:
K2ZnO2 + 2H2O + 2e → Zn + 2KOH +2OH-

(2.4)

Quá trình chủ yếu xảy ra bên trong lỗ xốp nên kích thước điện cực vẫn giữ
nguyên không thay đổi, dùng cực kẽm trong một lượng lớn điện dịch thì khi phóng
kẽm chuyển thành zincat có tỷ trọng lớn sẽ tụt dọc theo điện cực chảy xuống đáy bình.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Khi nạp điện bột kẽm kết tủa nhiều ở phần dưới điện cực làm cho hình dạng của nó
thay đổi. Ngoài ra kẽm kết tủa trên bề mặt điện cực ở dạng bột xốp cho nên dễ rụng

xuống tạo thành mùn.
Khi nạp điện, trên cực dương bạc chuyển thành Ag2O sau đó thành AgO:
2Ag + 2OH- → Ag2O

+ H2O + 2e

(2.5)

Ag2O + 2OH- → 2AgO + H2O +2e

(2.6)

Do đó trên đường cong nạp điện có hai đoạn tương ứng cỡ điện thế 1,6 - 1,64
và 1,9 - 2,0 V (hình 1.3).

Hình 1.3. Đường cong phóng/nạp của ắc quy bạc - kẽm, ở các chế độ dòng khác
nhau (a) 0,25Adm-1; (b) 0,5A/dm2; (c)1,0 A/dm2; (d) 2,5A/dm2; (e)5,0 A/dm2 [35].
Khi điện thế đạt tới 2,1V thì quá trình nạp điện ngừng lại vì tiếp tục thì oxi thốt
mạnh sẽ oxi hố và làm hỏng lá cách cellophan.
Tổng quát quá trình xảy ra trong ắc quy có thể viết như sau:
 4Ag + ZnO + Zn(OH)2

2Ag2O + H2O + 2Zn

2Ag2O + 2Zn  4Ag + 2ZnO
2AgO + H2O + 2Zn

 2Ag + ZnO + Zn(OH)2

2AgO + 2Zn  2Ag + 2ZnO

(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)

Tương ứng với phản ứng:
AgO + Zn  Ag + ZnO
thì ắc quy có sức điện động là 1,85 - 1,89 V và phản ứng:
Ag2O + Zn  2Ag + ZnO
sức điện động tương ứng 1,55 - 1,6 V.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Điện thế tiêu chuẩn của quá trình:
Zn + 2OH-  Zn(OH)2 + 2e

(2.11)

𝜑𝑍𝑛/𝑍𝑛(𝑂𝐻)2 = -1,245 V

Quá trình:

2Ag + 2OH-  Ag2O + H2O + 2e

(2.12)

𝜑𝐴𝑔2𝑂 = 0,344 V

Từ đó sức điện động của ắc quy bạc - kẽm bằng: E = 0,344 - (-1,245) = 1,589 V.

Muốn chính xác phải tính đến hoạt độ của ion trong dung dịch.
Trong thực tế sức điện động của ắc quy bạc - kẽm là 1,85 V, điện thế làm việc
của ắc quy khi phóng điện với chế độ thời gian dài là 1,5 V. Vì vậy điện thế và sức điện
động tương ứng với những phương trình và đường cong phóng nạp ở trên.
Cho đến nay sự tạo thành kết tủa nhánh của kẽm vẫn là nguyên nhân chủ yếu
làm hỏng ắc quy bạc - kẽm.
Để tránh hiện tượng chập mạch do bột kẽm phát triển người ta bọc điện cực kẽm
bằng giấy cellophan. Trong dung dịch kiềm và zincat, cellophan trương ra, dày lên 2 3 lần, dẫn điện tốt đồng thời làm cho ắc quy chặt lại. Nó cũng có tác dụng ngăn oxit
bạc khuếch tán đến cực kẽm và làm cho kẽm không phát triển thành nhánh nối với hai
cực bạc được. Lớp cellophan giữa các điện cực càng dày thì ắc quy càng lâu bị chập
mạch, nhưng điện trở trong càng lớn. Thường dùng 2 - 5 lớp cellophan tuỳ thuộc vào
điều kiện làm việc của ắc quy. Ví dụ nếu phóng điện với dịng điện lớn thì dùng ít, mà
muốn tuổi thọ của ắc quy lâu thì dùng nhiều lớp.
Khi nạp điện quá, điện thế lớn hơn 2,05 - 2,1 V bạc chuyển nhiều vào dung
dịch, oxi thoát ra trên điện cực và cellophan sẽ bị thủng và rách ra làm cho ắc quy
bị hỏng.
Nạp điện quá cũng làm tăng quá trình tạo nhánh của điện cực kẽm gây ra chập
mạch trong ắc quy. Bình thường khi nạp điện kẽm kết tinh chủ yếu bên trong lỗ xốp có
dung dịch bão hồ zincat. Do ZnO và Zn(OH)2 trong lỗ xốp nghèo dần đi mà zincat
ngoài điện cực bắt đầu kết tinh kẽm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Trong trường hợp nạp điện quá nồng độ ZnO22 ở các lỗ xốp và gần điện cực

giảm, những ion ZnO22 bắt đầu từ lá cách và từ khối điện dịch còn lại sẽ đi qua lá cách
tới điện cực. Như vậy, nhánh kẽm sẽ lớn lên theo hướng khuyếch tán của ion ZnO22
đến điện cực và khi nạp điện quá nhánh kẽm sẽ xuyên qua lá cách gây chập mạch. Khi
màng cách cellophan có những lỗ nhỏ hoặc chỗ rách thì kẽm rất dễ khuếch tán qua các
điểm bị rách này và gây ra chập mạch.
1.3. Giới thiệu vật liệu nano và ứng dụng trong điện hóa
1.3.1. Giới thiệu vật liệu nano
Vật liệu nano: là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét.
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và cơng nghệ nano, nó
liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá
rộng, từ vài nm đến vài trăm nm [1], [22].
Phân loại:
- Theo trạng thái: Rắn, Lỏng, Khí.
- Theo hình dáng vật.
+ Vật niệu nano khơng chiều: Cả ba chiều đều có kích thước nano, khơng c ̣n
chiều tự do nào cho điện tử. Thí dụ: đám nano, hạt nano,…
+ Vật niệu nano một chiều: Vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện
tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,…
+ Vật niệu nano hai chiều: Vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,…
+ Vật niệu nano composite: Trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước
nm, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
- Phân loại theo cấu trúc
+ Vật niệu nano cấu trúc OD: Các hạt, dot, chùm, đám kết tụ… có kích thước
nano theo cả 3 chiều không gian.
+ Vật niệu nano cấu trúc 1D: Các sợi, dây, chuỗi có kích thước nano theo 1 chiều
khơng gian.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

+ Vật niệu nano cấu trúc 2D: Các màng siêu mỏng, lớp, mặt, tấm có kích thước
nano theo 2 chiều không gian.
+ Vật niệu nano cấu trúc 3D: Các khối có kích thước lớn theo cả 3 chiều khơng
gian nhưng chứa các phần tử cấu thành có kích thước nano: vật liệu nano pha, vật liệu
nano tinh thể, vật liệu chứa các hạt/ chùm hạt nano, sợi nano, tấm nano….
1.3.2. Ứng dụng vât liệu nano trong điện hóa
Cơng nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và
tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích
thước cực nhỏ. Cơng nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản
xuất truyền thống gây ơ nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng,
giảm tác động đến môi trường. Hiện nay, công nghệ nano được xem là cuộc cách mạng
công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong nhiều lĩnh vực như y sinh học, phát triển
nguồn năng lượng, xử lý môi trường, phát triển công nghệ thông tin hay quân sự…
Trong lĩnh vực điện tử và cơ khí
Dùng vật liệu nano trong thiết bị điện tử giúp giảm kích thước, tăng dung lượng
của thiết bị. Điện tử dân dụng và máy tính là những lĩnh vực sớm biết tận dụng ưu điểm
của vật liệu nano vào sản phẩm, nổi bật có thể kể đến là nâng cao chất lượng màn hình
và khả năng dẫn điện. Màn hình ứng dụng các lớp polymer siêu mỏng khơng cần đèn
nền và kính lọc như màn hình LCD truyền thống, cho hình ảnh tươi sáng và rõ nét hơn.
Cơng nghệ này được ứng dụng để chế tạo loại màn hình chất dẻo có thể uốn cong hồn
tồn. Khả năng dẫn điện của vật liệu nano được sử dụng trong rất nhiều sản phẩm cần
lớp phủ bề mặt dẫn điện như các loại màn hình cảm ứng và pin mặt trời. Trên thị trường
hiện nay đã có loại màng phủ và vật liệu phủ trong suốt được chế tạo từ dây nano có
khả năng dẫn điện tốt hơn các vật liệu truyền thống. Các loại màng phủ này có thể thay
thế oxit thiếc indi để chế tạo điện cực trong suốt của màn hình tinh thể lỏng. Trong
tương lai, máy tính và các thiết bị điện tử có thể sử dụng vật liệu nano để tăng khả năng
lưu trữ dữ liệu cũng như kéo dài thời gian sử dụng của pin. Các phương pháp lưu trữ

mới dựa trên nền tảng công nghệ nano sẽ cho phép lưu được nhiều thông tin gấp hơn
200 lần mật độ lưu trữ của đĩa DVD thơng thường [22], [31].
Trong lĩnh vực tích trữ, chuyển hóa năng lượng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




Đối với vật liệu điện cực có kích thước nano cải thiện nhiều tính chất điện hóa
của điện cực vật liệu gốc: 1 - Tăng độ dẫn điện; 2 - Tăng diện tích bề mặt riêng; 3 Bền, ổn định; vì vậy làm cho các quá trình trao đổi electron, khuếch tán các ion trên bề
mặt điện cực thuận lợi, cho nên thuận tiện cho các q trình điện hóa xảy ra, làm tăng
hiệu suất chuyển hóa, có khả năng phóng nạp ở mật độ dịng cao, cũng như tăng số chu
kỳ phóng/nạp.
Xu hướng vật liệu có kích thước nano này phát triển ở hai dạng chính: 1 - Chế
tạo chất hoạt động có kích thước nano; 2 - Kết hợp chất hoạt động với các vật liệu dẫn
điện có kích thước nano (nano compozit). Đối với loại vật liệu dạng compozit sử dụng
rất đa dạng và phổ biến, cũng như cải thiện đáng kể rất nhiều tính điện hóa của chất
hoạt động điện cực. Các hạt có khả năng dẫn điện tốt như nano kim loại quý (Pt, Au,
Pd, Ag...), các hạt nano trên có sở hợp chất cacbon (cacbon hoạt tính, các ống nano
cacbon (CNTs), graphen) thýờng ðýợc lựa chọn kết hợp với chất hoạt ðộng ðiện cực
[44], [47].
Tác giả V. Ruiz [22] đã tổng hợp thành công loại vật liệu ba chiều bao gồm
nanosheets graphene (GNS), carbon graphitic xốp (PGC), và các hạt nano oxit sắt
(Fe3O4/PGC/GNS). Fe3O4/PGC/GNS có khả năng đảo ngược của nanocomposite này
với 10 wt% GNS sau 30 chu kỳ ở 500 mA/g là 470 và 480 mAh/g cho phóng/nạp, trong
khi đối với các nanocomposite với 20% trọng lượng GNS, nó là 420 và 430 mAh/g cho
phóng/nạp, tương ứng. Khả năng hồi phục là 97 và 99 mAh/g trong phóng/nạp tại 5000
mA/g mật độ hiện tại, tương ứng, trong 10% trọng lượng GNS mẫu, trong khi khả năng
đảo ngược cho nanocomposite với 20% trọng lượng GNS là 89 và 100 mAh/g trong

khi phóng.
Dilek Ozgitt [28] cùng cộng sự đă nghiên cứu, chế tạo dạng nano ZnO/Graphen,
có kích thước hạt trung b́ nh 40 nm, để cải thiện tính năng, số chu kỳ phóng điện của ắc
quy Zn(Graphen)/KOH/Ag2O, với kết quả tốt, số chu kỳ phóng/nạp ổn định sau 160
chu kỳ.
Gần đây, nhóm tác giả Jae Myeong Lee cùng cộng sự [37] đã chế tạo bột nano
Ag/CTNs, ZnO/CNTs sử dụng làm điện cực trong ắc quy bạc – kẽm hiệu suất cao và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




an toàn. Các điện cực sợi Ag và Zn tải cao dẫn đến dung lượng tuyến tính cao 0,285
mAh/cm trong chất điện phân lỏng và 0,276mAh/cm trong chất điện phân dạng gel rắn,
kết quả đó tốt hơn so với các hệ thống pin dựa trên sợi được báo cáo trước đó.
Shafiq Ullah và cơng sự đã chế tạo ZnO kích thước nano mét theo phương pháp
thủy nhiệt từ muối Zn(CH3COO)2 và hỗn hợp nước: ethylene glycol [73], làm điện cực
âm trong ắc quy bạc - kẽm, giúp cải thiện tính năng của hệ rất rõ nét. Các nanorod được
chuẩn bị có đường kính trong phạm vi 300 đến 500nm, đồng nhất. Các nanorod này
được nghiên cứu đặc trưng bởi XRD, SEM, phân tích diện tích bề mặt cụ thể, độ hịa
tan trong mơi trường kiềm, phân tích EDX và nghiên cứu nạp/phóng điện trong pin
Zn/AgO. Các nanorod oxit kẽm đã chuẩn bị có độ hịa tan thấp trong mơi trường kiềm
với độ ổn định cấu trúc cao hơn, giúp tăng độ ổn định vòng đời được cải thiện cho các
tế bào Zn/AgO.
Trong cơng nghiệp quốc phịng và hàng khơng vũ trụ
Vật liệu nano là sự lựa chọn tối ưu của Lầu Năm Góc nhằm cải tiến các trang
thiết bị cho người lính và nâng cao hiệu quả của vũ khí. Polymer nano hiện đã được sử
dụng trong các thiết bị cảm biến có khả năng phát hiện những dấu vết rất nhỏ của chất
nổ chơn dưới lịng đất. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, các vật liệu cấu trúc nano có
thể giúp tạo ra những thế hệ máy bay bền hơn, nhẹ hơn, có khả năng chống sét và chống

cháy tốt hơn. Một công ty đã chế tạo được loại vải và sợi chứa ống nano cacbon có tính
dẫn điện cao dùng thay đồng để sản xuất dây dẫn và cáp nhẹ hơn cho máy bay hoặc vệ
tinh. Trong cơng nghiệp quốc phịng, từ thiết bị giám sát, chất nổ, đến quân phục, chip
xác định tần số radio; mạch tích hợp; cảm biến sinh học cực nhỏ và các loại vải, màng
“thông minh”. Kỹ thuật giám sát vi thể hóa đang được nghiên cứu bao gồm việc sử
dụng cơn trùng sống gắn thiết bị nano hoặc các robot có cánh siêu nhỏ bay lẫn vào côn
trùng tới địa bàn của đối phương để thu thập thông tin. Nhôm nano để chế tạo các loại
tên lửa di chuyển nhanh hơn, hoặc tăng sức công phá của các loại chất nổ truyền thống
là do khi kết hợp với một oxit kim loại như oxit sắt, nhôm nano cho phép phản ứng hóa
học xảy ra nhiều hơn trên một diện tích bề mặt định sẵn, nên có thể tăng sức nổ. Quân
phục may bằng vải kết hợp vật liệu nano có thể đổi màu theo môi trường, cứng lại để
bảo vệ người mặc khỏi chấn thương, chống đạn hoặc các loại vũ khí sinh/hóa. Nó cịn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




có thể tích hợp thiết bị cảm biến để theo dõi tình trạng của người lính, hoặc hoạt động
như một thiết bị phóng thuốc mà bác sỹ có thể kích hoạt từ xa qua sóng radio [23],
[70].
1.4. Giới thiệu về vật liệu ZnO và ứng dụng
1.4.1. Giới thiệu về ZnO
ZnO là tinh thể được hình thành từ ngun tố nhóm IIB (Zn) và nguyên tố nhóm
VIA (O). ZnO có ba dạng cấu trúc gồm: hexagonal wurtzite, zincblende, rocksalt [4],
[17].
Trong đó: haxagonal wurtzite có tính chất nhiệt động lực ổn định nhất trong điều
kiện nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh, zinc blende chỉ kết tinh được trên đế
có cấu trúc lập phương và dạng rocksalt chỉ tồn tại ở áp suất cao.

Hình 1.4. Cấu trúc ZnO

Ở điều kiện thường cấu trúc của ZnO tồn tại ở dạng Wurtzite gồm 2 mạng lục
giác xếp chặt (chiếm 74,05% không gian, và 25,95% khoảng trống) một mạng của
cation Zn2+ và một mạng của anion O2- lồng vào nhau một khoảng cách 3/8 chiều cao
(hình1.4). Mỗi ơ cơ sở sẽ có 2 phân tử ZnO trong đó có 2 nguyên tử Zn nằm ở vị trí
(0,0,0); (1/3,1/3,1/3) và 2 nguyên tử O nằm ở vị trí (0,0,u); (1/3,1/3,1/3+u) với u~3/8.
Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm trên 4 đỉnh của một tứ diện gần đều.
Khoảng cách từ Zn cho đến 1 trong số 4 nguyên tử bằng uc. Còn 3 khoảng cách khác
bằng:
1
1
1
[ 𝑎3 + 𝑐 2 (𝑢 − ) .2 ] .2
2
3

Hắng số mạng trong cấu trúc dao động khoảng a = 0,32495 - 0,32860 nm; c=
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




0,52069 - 0,5214 nm. Khoảng cách giữa các mặt mạng có chỉ số Miler (hkl) trong hệ
lục giác wurtzite là: [52]
𝑑ℎ𝑘𝑙 =
1.4.2. Ứng dụng của ZnO

1

4 2
2

√3 (ℎ + ℎ𝑘 + 𝑘 ) 𝑙2
+ 2
𝑎2
𝑐

ZnO là chất bán dẫn thuộc loại BIIAVI, có vùng cấm rộng ở nhiệt độ phịng
(3.27 eV), chuyển dời electron thẳng, exiton tự do lớn (cỡ 60 meV) [11], [63]. So với
các chất bán dẫn khác, ZnO có được tổ hợp của nhiều tính chất q báu, bao gồm tính
chất điện, tính chất quang, bền vững với mơi trường hidro, tương thích với các ứng
dụng trong mơi trường chân khơng, ngồi ra ZnO cịn là chất dẫn nhiệt tốt, tính chất
nhiệt ổn định. Do có nhiều tính chất ưu việt như vậy nên vật liệu ZnO có nhiều ứng
dụng trong khoa học cơng nghệ và đời sống, từ cao su đến gốm sứ, từ dược phẩm đến
nơng nghiệp, và từ sơn đến hóa chất, đặc biệt trong lĩnh vực xúc tác phân hủy các chất
hữu cơ độc hại.
Kẽm oxit được sử dụng như chất phụ gia trong nhiều vật liệu và sản phẩm bao
gồm: nhựa, gốm sứ, thủy tinh, xi măng, chất bôi trơn, sơn, cao mỡ, chất kết dính, chất
lắp đầy, bột màu, thực phẩm (bổ sung kẽm), nguồn điện, vật liệu ferit, vật liệu chống
cháy và băng cấp cứu trong y tế.
Trong công nghiệp sản xuất cao su. Khoảng một nửa lượng ZnO trên thế giới
được dùng để làm chất hoạt hóa trong quá trình lưu hóa cao su tự nhiên và nhân tạo.
Kẽm oxit làm tăng độ đàn hồi và sức chịu nhiệt của cao su. Lượng kẽm trong cao su từ
2 - 5%.
Trong hội họa, mặc dù ZnO có một màu trắng đẹp nhưng nó khơng cịn giữ vai
trị chủ đạo nữa. Người ta dùng nó để làm chất bảo quản giấy, gỗ.
Trong công nghiệp chế biến dược phẩm và mỹ phẩm: do ZnO hấp thụ tia cực
tím và có tính kháng khuẩn nên nó là một trong những nguyên liệu để làm kem chống
nắng, làm chất chống khuẩn trong các thuốc dạng mỡ. Người ta dùng ZnO phản ứng
với eugenol để làm chất giả xương răng.
Trong lĩnh vực sản xuất thủy tinh, men, đồ gốm: kẽm oxit có khả năng làm giảm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN