溶胶-凝胶法及其应用

.,溶胶凝胶法及其应用,学生：彭家喜导师：王树东研究员2020/6/10,Seminar,.,目录,基本概念发展历程基本原理和工艺过程常用测试方法应用举例优势，缺陷未来,.,溶胶凝胶法的基本概念,胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在11000nm之间。凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在13之间。,.,溶胶凝胶法的基本概念,简单的讲，溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。,.,溶胶凝胶法的基本概念溶胶与凝胶的结构比较,这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面,.,溶胶凝胶法的发展历程,1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜。80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。,.,溶胶凝胶法的基本原理,溶剂化：M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+水解反应：M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH-M(OH)n缩聚反应失水缩聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O失醇缩聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH,.,溶胶凝胶法的基本原理水解反应机理,.,溶胶凝胶法的基本原理缩聚反应机理,.,溶胶凝胶法的工艺过程,.,溶胶凝胶法常用测试方法,测定前驱物金属醇盐的水解程度（化学定量分析法）测定溶胶的物理性质（粘度、浊度、电动电位）胶粒尺寸大小（准弹性光散射法、电子显微镜观察）溶胶或凝胶在热处理过程中发生的物理化学变化（XRD、中子衍射、DTATG）反应中官能团及键性质的变化（红外分光光度计、拉曼光谱仪）溶胶、凝胶粒子中的结构（GCMS）固态物体的核磁共振谱测定MO结构状态,.,溶胶凝胶法的应用,.,溶胶凝胶法应用（1）铝胶制备及化学机理,boehmite溶胶将1M仲丁醇铝的仲丁醇溶液滴入温度高于80的去离子水中进行水解，生成boehmite沉淀，加入适量1.6MHNO3，使沉淀胶溶，经老化形成稳定的溶胶,.,溶胶凝胶法应用铝胶制备及化学机理,铝盐溶液中，铝离子呈水合状态，即Al(H2O)63+。由于铝离子的正电荷与配位水分子中氢离子相斥，使氢离子释放出来水解反应Al(H2O)63+=Al(OH)(H2O)52+H+Al(OH)(H2O)52+=Al(OH)2(H2O)4+H+Al(OH)2(H2O)4+=Al(OH)3(H2O)30+H+溶液的Ph值升高，水解程度增大,.,溶胶凝胶法应用铝溶胶制备及化学机理,水解反应生成的沉淀Al(OH)3(H2O)30在溶液酸度提高时，能够溶解，变成离子，形成沉淀-胶溶反应（Precipitation-Peptization）nAl(OH)3(H2O)30+xHNO3=Al(OH)3(H2O)3nHxx+xNO3-胶溶反应中胶核呈正电性，外层吸附了电量相等的负电离子。,.,溶胶凝胶法的应用（2）功能材料中制备粉体材料,.,溶胶凝胶法的应用功能材料中制备纤维,.,溶胶凝胶法的应用功能材料中制备膜材料,.,溶胶凝胶法的应用功能材料中制备单晶,.,溶胶凝胶法的应用功能材料中制备复合材料,.,溶胶凝胶法的应用（3）催化剂的制备及应用,.,溶胶凝胶法的优势,起始原料是分子级的能制备较均匀的材料较高的纯度组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料可降低程序中的温度具有流变特性，可用于不同用途产品的制备可以控制孔隙度容易制备各种形状,.,溶胶凝胶法的缺陷,原料成本较高存在残留小孔洞存在残留的碳较长的反应时间有机溶剂对人体有一定的危害性,.,溶胶凝胶法的未来,1994年7月在美国加利福尼亚的圣地亚哥举行的关于So