Synthesis and structural characterization of ZNO nanoparticles

SYNTHESIS AND STRUCTURAL CHARACTERIZATION OF ZnO NANOPARTICLES

СИНТЕЗ І СТРУКТУРНА ХАРАКТЕРИСТИКА НАНОЧАСТИНОК ZnO

Сторінки: 35–41. Номер: №4, 2022 (311)  
Автори:
Tatyana ASAULYUK
https://orcid.org/0000-0001-5961-6895
e-mail: tatisevna@gmail.com
Kherson National Technical University
Yulia SARIBYEKOVA
https://orcid.org/0000-0001-6430-6509
e-mail: ysaribyekova@gmail.com
Kherson National Technical University
Olga SEMESHKO
https://orcid.org/0000-0002-8309-5273
e-mail: solgaya@gmail.com
Kherson National Technical University
Irina KULISH
https://orcid.org/0000-0002-0961-5904
e-mail: kulish.in.411@gmail.com
Kherson National Technical University
АСАУЛЮК Т. С., САРІБЄКОВА Ю.Г., СЕМЕШКО О.Я., КУЛІШ І.М.
Херсонський національний технічний університет
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-311-4-35-41

Анотація мовою оригіналу

In the present work, zinc oxide (ZnO) nanoparticles were synthesized by direct precipitation method in aqueous solution using zinc acetate dihydrate and sodium hydroxide as precursors. The molar ratio of Zn²⁺ to OH^– was 1:2. The obtained precipitated compound was treated at different temperatures. The crystal phase and structural parameters of each prepared ZnO samples such as interplanar spacing, crystallite size, dislocation density, micro strain were determined by X-ray diffraction (XRD) analysis for different crystallographic planes. Other crystallite parameters such as lattice constants, unit cell volume, Zn–O bond length, crystallinity of synthesized ZnO samples also were calculated from the XRD data. The XRD patterns show the successfully synthetized ZnO phase with wurtzite hexagonal structure and average crystallite sizes of 24.6 nm, 25.6 nm and 28.1 nm for the samples that dried at room temperature without heat treatment (S1), dried at 60°C without calcination (S2), dried at 60°C and calcinated at 300°C in air atmosphere for 2 hours (S3) respectively. The calculated structural parameters of the synthesized ZnO nanoparticles are in good agreement with the standard reported data (JCPDS 36-1451). The effect of heat treatment on the structural parameters of synthesized ZnO nanoparticles was examined and it indicates that increasing the thermal decomposition temperature improves the quality of crystalline material. The XRD data show that the synthesized S3 sample was free of impurities and characterized by lattice constants a = 3.252 Å, c = 5.210 Å, unit cell volume V = 47.703 Å³, bond length Zn–O = 1.9789 Å and crystallinity 93%. The results are of practical value for simple synthesis of highly dispersed forms of ZnO and its possible application in textile finishing.
Keywords:  ZnO, nanoparticles, precipitation, structure, XRD.

Розширена анотація англійською  мовою

У даній роботі наночастинки цинку оксиду (ZnO) синтезовані методом прямого осадження у водному розчині з використанням цинку ацетату дигідрату і натрію гідроксиду як прекурсорів. Молярне співвідношення Zn²⁺ до OH^– складало 1:2. Отриманий осад обробляли при різних температурах. Кристалічну фазу і структурні параметри кожного отриманого зразка, такі як міжплощинна відстань, розмір кристалітів, щільність дислокацій, мікронапруження, визначали за допомогою рентгеноструктурного аналізу (XRD) для різних кристалографічних площин. Інші параметри кристаліту, такі як константи решітки, об’єм елементарної комірки, довжина зв’язку Zn–O, кристалічність синтезованих зразків ZnO, також розраховували за даними XRD. Рентгенограми демонструють успішно синтезовану фазу ZnO з гексагональною структурою вюрциту і середніми розмірами кристалітів 24,6 нм, 25,6 нм і 28,1 нм для зразків, висушених при кімнатній температурі без термообробки (S1), висушених при 60°C без прожарювання (S2), висушених при 60°C і оброблених при 300°C в атмосфері повітря протягом 2 год (S3), відповідно. Розраховані структурні параметри синтезованих наночастинок ZnO добре узгоджуються зі стандартними звітними даними (JCPDS 36-1451). Досліджено вплив термічної обробки на структурні параметри синтезованих наночастинок ZnO, який свідчить про те, що підвищення температури термічного розкладу покращує якість кристалічного матеріалу. Дані XRD показують, що синтезований зразок S3 не містить домішок і характеризується параметрами решітки a = 3.252 Å, c = 5.210 Å, об’ємом елементарної комірки V = 47.703 Å³, довжиною зв’язку Zn–O = 1.9789 Å і кристалічністю 93%. Результати мають практичне значення для простого синтезу високодисперсних форм ZnO і їх можливого застосування в опорядженні текстилю.
Ключові слова: ZnO, наночастинки, осадження, структура, XRD.

References

1. Look D.C. Recent Advances in ZnO Materials and Devices / D.C. Look // Materials Science and Engineering B-Solid State Materials for Advanced Technology. – 2001. – 80(1-3). – P. 383-387. – DOI: 10.1016/S0921-5107(00)00604-8.
2. Li L. Surface micro-dissolution process for embedding carbon nanotubes on cotton fabric as a conductive textile / L. Li, T. Fan, R. Hu, et al. // Cellulose. – 2017. – 24(2). – P. 1-8. – DOI: 10.1007/s10570-016-1160-2.
3. Fan T. Fabrication of magnetic cotton fabrics using surface micro-dissolving technology in ZnCl₂ aqueous solution / T. Fan, Z. Zhao, J. Zhou, et al. // Cellulose. – 2018. – 25(2). – DOI:10.1007/s10570-017-1623-0.
4. Thennarasu G. Enhanced visible photocatalytic activity of cotton ball like nano structured Cu doped ZnO for the degradation of organic pollutant / G. Thennarasu, A. Sivasamy // Ecotoxicology and Environmental Safety. – 2016. – 134(Pt 2). – P. 412-420. – DOI: 10.1016/j.ecoenv.2015.10.030.
5. Salat M. Durable antimicrobial cotton textiles coated sonochemically with ZnO nanoparticles embedded in an in-situ enzymatically generated bioadhesive / M. Salat, P. Petkova, J. Hoyo, et al. // Carbohydrate Polymers. – 2018. – 189. – P. 198-203. – DOI: 10.1016/j.carbpol.2018.02.033.
6. Abdelhady M.M. Preparation and Characterization of Chitosan/Zinc Oxide Nanoparticles for Imparting Antimicrobial and UV Protection to Cotton Fabric / M.M. Abdelhady // International Journal of Carbohydrate Chemistry. – 2012. – DOI: 10.1155/2012/840591.
7. Xu B. Fabrication of a Superhydrophobic ZnO Nanorod Array Film on Cotton Fabrics Via a Wet Chemical Route and Hydrophobic Modification / B. Xu, Z. Cai // Applied Surface Science. – 2008. – 254(18). – P. 5899-5904. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2008.03.160.
8. Lam Y.L. Flame-retardant finishing in cotton fabrics using zinc oxide co-catalyst / Y.L. Lam, C.W. Kan, C.W.M. Yuen // Journal of Applied Polymer Science. – 2011. – 121, 1. – P. 612-621. – DOI: 10.1002/app.33738.
9. Abdel-Hady M.M. Flame retardancy and UV protection of cotton based fabrics using nano ZnO and polycarboxylic acids / M.M. Abdel-Hady, A. Farouk, S. Sharaf // Carbohydrate Polymers. – 2013. – 92, 1. – P. 400-406. – DOI: 10.1016/j.carbpol.2012.08.085.
10. Sapana J. Modification of Textiles via Nanomaterials and Their Applications / J. Sapana, V. Anurakshee, A. Rizwan // Frontiers of Textile Materials. – 2020. – P. 135-152. – DOI: 10.1002/9781119620396.ch6.
11. Anandan M. Tuning the crystalline size of template free hexagonal ZnO nanoparticles via precipitation synthesis towards enhanced photocatalytic performance / M. Anandan, S. Dinesh, N. Krishnakumar, K. Balamurugan // J. Mater. Sci. Mater. Electron. – 2017. – 28. – P. 2574–2585. – DOI: 10.1007/s10854-016-5833-2.
12. Zak A.K. Synthesis and characterization of a narrow size distribution of zinc oxide nanoparticles / A.K. Zak, R. Razali, W.A. Majid, M. Darroudi // Int. J. Nanomed. – 2011. – 6. – P. 1399–1403. – DOI: 10.2147/IJN.S19693.
13. Tabib A. Structural and optical properties of Na doped ZnO nanocrystals: Application to solar photocatalysis / A. Tabib, W. Bouslama, B. Sieber, et al. // Appl. Surf. Sci. – 2017. – 396. – P. 1528–1538. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.11.204.
14. Liang Y. Organozinc Precursor-Derived Crystalline ZnO Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Their Spectroscopic Properties / Y. Liang, S. Wicker, X. Wang, E. Erichsen, F. Fu // Nanomaterials. – 2018. – 8, 22. – DOI: 10.3390/nano8010022.
15. Ali T.T. Effect of pretreatment temperature on the photocatalytic activity of microwave irradiated porous nanocrystalline ZnO / T.T. Ali, K. Narasimharao, I.P. Parkin, et al. // New J. Chem. – 2015. – 39. – P. 321–332. – DOI: 10.1039/C4NJ01465K.
16. Fiedot M. The Relationship between the Mechanism of Zinc Oxide Crystallization and Its Antimicrobial Properties for the Surface Modification of Surgical Meshes / M. Fiedot, I. Maliszewska, O. Rac-Rumijowska, et al. // Materials. – 2017. – 10. – P. 353. – DOI: 10.3390/ma10040353.
17. Sathya M. Growth of pure and doped ZnO thin films for solar cell applications / M., Sathya A. Claude, P. Govindasamy, et al. // Pelagia Res. Libr. Adv. Appl. Sci. Res. – 2012. – 3(5). – P. 2591–2598.
18. Balogun S.W. Impact of Post-Deposition Heat Treatment on the Morphology and Optical Properties of Zinc Oxide (ZnO) Thin Film Prepared by Spin-Coating Technique / S.W. Balogun, Y.K. Sanusi, A.O. Aina // J. Photon. Mater. Technol. – 2017. – 3(3). – P. 20–28. – DOI: 10.11648/j.jmpt.20170303.11.
19. Sun Y. Synthesis and characterization of twinned flower–like ZnO structures grown by hydrothermal methods / Y. Sun, H. Guo, W. Zhang, et al. // Ceram. Int. – 2016. – 42. – P. 9648–9652. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.03.051.
20. Talam S. Synthesis, Characterization, and Spectroscopic Properties of ZnO Nanoparticles / S. Talam, S.R. Karumuri, N. Gunnam // ISRN Nanotechnology. – 2012. – 6. – DOI:10.5402/2012/372505.
21. Romadhan M.F. Synthesis of ZnO Nanoparticles by Precipitation Method with Their Antibacterial Effect / M.F. Romadhan, N.E. Suyatma, F.M. Taqi // Indones. J. Chem. – 2016. – 16 (2). – P. 117-123. – DOI: 10.22146/ijc.21153.
22. Chen X. Preparation of ZnO photocatalyst for the efficient and rapid photocatalytic degradation of azo dyes / X. Chen, Z. Wu, D. Liu, Z. Gao // Nanoscale Res. Lett. – 2017. – 12. – P. 1-10. – DOI: 10.1186/s11671-0711904-4.
23. Seetawan U. Effect of Calcinations Temperature on Crystallography and Nanoparticles in ZnO Disk / U. Seetawan, S. Jugsujinda, T. Seetawan, et al. // Materials Sciences and Applications. – 2011. – 2. – P. 1302-1306. – DOI: 10.4236/msa.2011.29176.
24. Barabaszová K.Č Three methods for antibacterial ZnO nanoparticles preparation / K.Č Barabaszová, M. Hundáková, M. Mackovčáková, E. Pazdziora // Materials Today: Proceedings. – 2018. – 5. – P. S11-S19.
25. Bekele B. Synthesis, Characterization and Application of Zinc Oxide Nanoparticles for Textile Materials against Ultra Violet Radiation / B. Bekele, G. Berhanu, D. Shiferaw // International Journal of Innovative Science and Research Technology. – 2021. – 6, 1. – P. 1156-1165.
26. Cullity B.D. Elements of X-ray Diffraction / D. Cullity, S.R. Stock. – 3rd ed. New Jersey: Prentice Hall, 2001. – 664 p.