纳米二氧化锆详细介绍

3. 纳米氧化锆的应用领域

3.1. ***陶瓷

纳米 ZrO2 粉体所以制备的陶瓷材料具有强度大、韧性高、耐磨性好，不易与其他物质产生化学反应

且生物相容性优异等优点。广泛应用于发动机零部件、磨削材料、生物器材、***武器等结构陶瓷领域。

但是对于陶瓷材料来说，如何解决脆性问题、提高韧性至关重要。***部分掺杂的 ZrO2 陶瓷可通过

基体中 t-ZrO2 向 m-ZrO2 转变时，会发生应力诱导、微裂纹，且产生的残余应力等来起到增韧效果。在口

腔修复领域，由于传统的全瓷修复材料具有脆性大、强度低和韧性差等缺点，其应用受到限制。而氧化

锆由于四方－单斜相的增韧机制，具有***机械性能，同时能在口腔内稳定存在，不释放有害物质，

并且其表面光滑，不利于菌斑生长，因此在齿科修复领域具有良好的应用前景。Yongliang Shi 等[14]采

用三维喷墨打印方法成功地打印出了三维 ZrO2 陶瓷牙，不仅发挥出纳米 ZrO2 优良的生物相容性，大大

提高了陶瓷牙的相对密度以及硬度，力学性能可达到 ISO 13356:2015 (E)。

3.2. ***载体

纳米 ZrO2 运用于肿瘤的诊断与***方面。有相关***，纳米 ZrO2 在人体内的分散性能非常好，

可在确保***在血液中循环时长的情况下，同时对患者造成的毒性减少到最小。因此纳米 ZrO2 可作为药

陈颖鑫 等

DOI: 10.12677/nat.2021.113012 97 纳米技术

物载体来运送***如各种抗肿瘤***。并且运送效率很高，精准地运送肿瘤细胞，经***，纳米氧

化锆还具有良好的 CT 成像性能，从而实时监测肿瘤患者的***过程，大大提升了肿瘤***的效果和成

功率。陈晓伟等[15]通过刻蚀法、以纳米 ZrO2 球为模板，合成了具有中空介孔结构的纳米 ZrO2。以其作

为载体，利用纳米 ZrO2 的中空结构通过真空负压法装载微波增敏***离子液体(1L)，把三苯基膦(TPP)

和环状 RGD 肽(I RGD)作为靶向分子，制备均一而稳定的微波增敏纳米***体系(MZCN s)。MZCN s 对

肿瘤细胞的线粒体具有靶向性，其在体内试验瘤内的含量是无靶向纳米材料的 2.7 倍。并且体外试验和

体内试验都证实了 MZCN s 的线粒体靶向微波热***增强了微波对肿瘤的杀伤作用，从而控制肿瘤生长，

延长了肝癌动物模型微波***后的无进展生存期[16]。

3.3. 催化领域

纳米 ZrO2 为惰性材料，稳定性好，同时具有氧化还原特性且为 p 型半导体，容易出现氧空穴，具有

电化学、光化学以及光催化等特性。其粉体比表面积大、表面缺陷丰富、化学性质稳定等，同时表面还

有酸性和碱性位、氧化还原性，因而在催化领域(如:脱氢、异构化、烷基化和酯化反应)中，它既可作为

催化剂使用，也可作为载体使用。影响 ZrO2 催化效果的因素不仅有分散性和颗粒尺寸，而且 ZrO2 的晶

格类型对催化的活性和选择性也起着关键作用[17]。Yang Z 等[2]表明，采用溶剂热法合成了具有立方和

四边形界面的 CeO2-ZrO2(C-T)固溶催化剂，由表面晶格氧产生的表面活性氧能迅速与煤烟接触，进而迅

速促进氧化反应，在柴油烟灰氧化中具有优异的催化性能。Sudrajath [18]发现纳米氧化锆能***通过

光催化降解有机污染物。并且循环利用 CO2 可通过 CO2 加氢甲烷化的方式，从而减轻 CO2 对生态环境造

成温室效应等***影响、同时还生成了新的能源，对能源领域具有重大意义。

3.4. 耐火材料

由纳米 ZrO2 做的陶瓷材料耐高温、热导率低、抗侵蚀性好、使用寿命长等优点，它可以用来做各种

各样的耐火材料，例如：隧道窑、回转窑的隔热内壁、汽车发动机的高温涂层、特殊隔热装置等。氧化

锆在耐火材料的作用大致如下：1) 可以提高材料的抗热震性，从而改善耐火材料的热稳定性。2) 耐高温、

耐腐蚀、抗冲刷，大大提高耐火材料的使用寿命，不易被日常生活中的金属离子所侵蚀。3) 通过加入合

适的稳定剂，如 Y2O3、CaO、MgO 等，可大大提高纳米 ZrO2 机械性能，制备稳定性好的耐火材料。4) 由

于纳米 ZrO2 能够较为稳定的和其他物质共存，因此加入复合物后可提升其熔点，进而提高耐火材料的性

能。Robert Kusiorowski [19]通过添加氧化锆来制备氧化镁–氧化锆耐火材料，在气孔率、表观密度、冷

挤压强度、抗热震性、孔径分布、微观结构和耐腐蚀性能上都有这很好的提升。

3.5. 传感器

氧传感器的核心构件是 ZrO2 固体电解质材料，将 MgO、CaO、Y2O3 等低价氧化物掺杂到 ZrO2 中，

形成 c-ZrO2 置换固溶体。为确保晶格结构正常以及材料的电中性，会提高材料中氧空位等缺陷出现的概

率。空位浓度越高，O2?

就越容易跃迁，提高传导效率。与常规氧传感器不同，纳米氧传感器巨大的表面

积可以提供大量的气道，增加测氧灵敏度，同时大比表面积纳米 ZrO2 的使用可以降低烧结温度，提高离

子导电性，提升检测灵敏度并可在较低温度(400℃)下进行检测工作。Hyeuk Jin Han 等[20]以氧化锆(YSZ)

和氧化铝钠(NBA)为异结体，采用带铸法制备了固体双电解质二氧化碳传感器，准确地测量出空气中 CO2

的浓度。

3.6. 燃料电池

燃料电池(Fuel Cell)是一种发电设备，能直接把燃料和氧化剂中存在的化学能转换为电能[1]。从转换

陈颖鑫 等

DOI: 10.12677/nat.2021.113012 98 纳米技术

过程的清洗(氮氧化物的排出量削减 97%)，能源转换效***(多在 40%~60%，如热电连续工作效率可达

85%等)的特性，被认为是未来的惯性行动动力的最终解决办法。以纳米 ZrO2 为原料，可制备出固体氧化

物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC 简称) [21]，它是第 3 代燃料电池，能够有效地将化学能源转换成

对环境影响小的全固体化学发电装置；并且由纳米氧化锆制备的阴离子交换膜，可有效提高碱性聚合物

电解质燃料电池的利用效率和力学性能[22]，为新能源的发展提供了有力支撑